Kuantum Bilgisayarların Tarihsel Gelişimi (Kuantum Bilişim)

Alman fizikçi Werner Heisenberg, bir kuantum parçacığı hakkında her şeyi aynı anda bilemeyeceğinizi iddia eden belirsizlik ilkesini öne sürdü. Parçacığın konumu hakkında ne kadar çok şey bilirseniz, momentumu hakkında o kadar az şey bilirsiniz, ya da tam tersi.

Stephen Wiesner ve Charlie Bennett (o zamanlar Harvard’da hala yüksek lisans öğrencisiydi) arasındaki tartışmalardan alınan notlar, “kuantum bilgi teorisi” ifadesinin ilk kullanımı ve dolanıklıklığı bir iletişim kaynağı olarak kullanmak için de ilk öneri olabilir. Notlar ayrıca, Wiesner ve Bennett tarafından 1992 yılında yayınlanmış olan süper yoğun kodlama ilkesini de tanımlıyordu.

MIT ve IBM’in ortaklaşa düzenlediği bir konferansta Nobel Ödülü sahibi Richard Feynman, kuantum fiziğine dayalı yeni bir bilgisayar türü geliştirmesi için bir grup bilgisayar uzmanına meydan okudu. 35 yıldan fazla bir süre sonra, dünyanın dört bir yanındaki bilim insanları bu görevi yerine getirmeye daha da yaklaşıyorlar.

MIT’den Peter Shor, kuantum bir bilgisayarda bir sayıyı asallarına verimli bir şekilde ayırmanın mümkün olduğunu gösterdi. Fakat problem şu ki, klasik bilgisayarların büyük sayıları çözmesi “üssel olarak uzun bir zaman” alır. Shor’un Algoritması, kuantum bilişim alanında teorik ve deneysel ilgi patlaması başlattı.

Kuantum hata düzeltmesi, IBM de dahil olmak üzere dünyanın dört bir yanındaki çeşitli gruplardan ortaya çıktı. Teoriye göre çevresel gürültüye karşı korumak için ince bir fazlalık kullanmanın mümkün olduğunu ve kuantum bilişimin fiziksel olarak gerçekleştirilmesini önemli ölçüde daha makul hale getirdiğini göstermektedir.

IBM araştırmacısı David Dincenzo kuantum bilgisayar oluşturmak için gereken minimum beş gereksinimi özetledi:

1. İyi tanımlanmış ölçeklenebilir bir qubit dizisi
2. Qubitlerin durumunu basit bir güvenilir duruma getirme becerisi
3. “Evrensel” bir kuantum geçit seti
4. Geçit çalışma süresinden çok daha uzun süren tutarlılık süreleri
5. Tek qubit ölçümü.

Yüzey kodu olarak bilinen ilk topolojik kuantum hatası düzeltme kodu, California Institute of Technology profesörü Alexei Kitaev tarafından önerildi. Ölçeklenebilir, hataya dayanıklı bir kuantum bilgisayarı için yüzey kodu şu anda en umut verici tasarı olarak kabul edilir.

Shor’un algoritması gerçek bir kuantum bilişim deneyinde çok banal bir problem olmasına rağmen 15=3×5 ile ilk kez gösterildi. IBM sistemi, bir MRI makinesine benzer şekilde nükleer spinlerde qubits kullandı.

Robert Schoelkopf ve Yale Üniversitesi’ndeki iş arkadaşları, bir fotonun ve yapay bir kuantum nesnesinin bir çip üzerindeki etkileşimini incelemek için Devre Kuantum Elektrodinamiği icat ettiler. Çalışmaları, sistemler ölçeklenmeye devam ettikçe süper iletken qubitleri birleştirmek ve bilgi almak için bir standart oluşturdu.

Schoelkopf ve iş arkadaşları, uzun süreli dayanıklılık için büyük bir engel olan sarj gürültüsüne karşı hassasiyeti azaltmak için tasarlanmış bir tür süper iletken qubit icat ettiler. Süper iletken kubit, IBM de dahil olmak üzere birçok süper iletken kuantum grubu tarafından benimsendi.

Transmon qubitleri ile kuantum bilgi işlemesi için önemli birkaç parametre geliştirildi. IBM, bir kubit’in kuantum durumunu 100 mikrosaniyeye kadar muhafaza ettiği süre olan tutarlılık süresini uzattı.

IBM quantum ekibi, en küçük, neredeyse kuantum hata algılama kodunu gösteren bir deney gerçekleştirdi. Tek bir kuantum durumu sabitleştirildiğinde, bit flip ve faz flip olmak üzere iki kuantum hatası türünü de tespit etmek mümkündür. Kod, gelecekteki kuantum bilişim sistemleri için bir yapı taşı görevi gören 4-qubitlik kafes düzenlemesinde gerçekleştirildi.

IBM bilim insanları, IBM Bulutu aracılığıyla sunulan ve masaüstü veya mobil cihazlardan erişilebilen türünün ilk örneği bir kuantum bilişim platformu olan IBM Q Experience’i geliştirdiler. Kullanıcıların IBM’in kuantum işlemcisi üzerinde deneyler yapmalarını, bireysel qubitlerle çalışmalarını, kuantum bilişimin harika olanaklarının eğitimlerini ve simülasyonlarını keşfetmelerini sağlar.

Piyasada satılan mevcut evrensel kuantum bilişim sistemlerini geliştirmek için ilk endüstriyel girişim tanıtıldı. IBM Q sistemleri, klasik bilgisayarların üstesinden gelemeyeceği kadar karmaşık ve deneysel olarak görülen sorunları çözmek üzere tasarlanacaktır. Amaç, kuantum bilişimin uygulanabilirliğini ve bunun endüstrilerdeki faydasını göstermektir.

Eylül 2017’de, IBM bilim insanları kuantum bilgisayarındaki kimyayı simule etmek için yeni bir yaklaşıma öncülük ettiler. IBM kuantum işlemcisindeki bugüne kadarki en büyük molekülü – Berilyum hidrit (BeH2) simüle edebildiler. Sonuçlar Nature dergisinin kapağında yayınlandı.

19 Ekim’de Science, gelecekteki kuantum algoritmalarının geliştirilmesine rehberlik edecek olan önemli bir matematiksel sonuç olan “Sığ Devrelerle Kuantum Avantajı” yayınladı. Bu formül kuantum bilişimin temelindeki sağlam ve gerekli bir parçadır. Formül birbirinden farklıdır çünkü Shor’un algoritmasının aksine kuantum bilgisayarın, artan girdi ne olursa olsun belirli sorunları her zaman sabit sayıda adımda çözebileceğini ispatlar. Klasik bir bilgisayarda bu sorunlar, girdi arttıkça adım sayısının artmasını gerektirir.

Kuantum bilgisayarları daha güvenilir ve istikrarlı hale getirmek için, IBM Q dünyanın ilk entegre kuantum bilgisayar sistemini ticari kullanım için tasarladı ve kurdu. IBM Q System One, evrensel yaklaşık süper iletken kuantum bilgisayarların, ilk kez araştırma laboratuarının sınırlarının ötesinde çalışmasını sağladı.