Rus araştırmacılar iki qudit bir kuantum işlemci geliştirdiler. Söz konusu işlemci, her biri iki potansiyel duruma sahip dört iyondan oluşan bir sistem olan dört kubitlik bir kuantum bilgisayara eşdeğer olma özelliği taşıyor. Kuantum işlemcisinin geliştirilmesi, Rosatom’un Kuantum Teknolojisi yol haritası çerçevesinde takip ettiği önemli işlerden birini oluşturuyor.

Kuantum Teknolojisi yol haritası, süper iletken, soğuk atom ve foton kullanan kuantum işlemcilerin geliştirilmesini sağlıyor. Rusya Bilimler Akademisi Uygulamalı Fizik Enstitüsü (FIAN) ve Rusya Kuantum Merkezi, bir kuantum bilgisayar için en umut verici teknoloji olarak iterbiyum iyonlarının kullanımına odaklanıyor.

Araştırmacıların kullandığı her iki iyondan biri ququart, bu olası durumların sayısının dört olduğu bir qudit değerini oluşturuyor.

Qudit, üç veya daha fazla potansiyel duruma (veya seviyeye) sahip bir qubiti ifade ediyor. Bu, çok katlı bir binaya benzetilebilir. FIAN’da araştırmacı olarak görev yapan Ilya Semerikov, konuyla ilgili olarak, “Bir durumdan diğerine geçiş, iyonun elektron kabuğundaki bir değişikliği ifade eder. Bu esnada elektron kabuğunun dalga fonksiyonu da değişir” ifadesini kullandı. Laboratuvarın imza attığı en önemli başarının quditler olduğunu söylemek mümkün.

Bir qubit, kuantum evreninde minimal ya da bir bit bilgi parçasını ifade ediyor. Sıradan bir bilgisayardaki bilgi birimini ifade eden bit, 0 veya 1 olarak gösterilen iki değerden (durumlardan) yalnızca birine sahip olabilir, ancak bu iki durumun üst üste binmesiyle bir qubit de var olabilir. Bu, bir qubitin hesaplama işlemi sırasında aynı anda 0 ve 1 değerine sahip olabileceği anlamına geliyor.

Fiziksel olarak, bir qubit, biri mantıksal 0 ve diğeri 1 olmak üzere iki durumdan oluşan bir sistem olma niteliği taşıyor.

Bir ququartın her durumu, iki qubitin (00, 01, 10 veya 11) dört potansiyel durumundan biri olarak temsil edilebilir. Ilya Semerikov, “1 ve 4 durumundaki iki iyonu alırsak, dört qubitlik bir sistemin eşdeğer durumu 0011 olurken, 2 ve 3 durumundaki iyonların eşdeğeri 0110 olacaktır” dedi. Böyle bir bilgisayar, örneğin Deutsch–Jozsa ve Grover’ınki gibi basit algoritmalar çalıştırabilir. Deutsch–Jozsa, işlevin türünü (sabit veya dengeli) belirlemek için kullanılırken, Grover ise bir veritabanında yapılandırılmamış arama gerçekleştirir.

Rosatom Kuantum Teknolojisi PMO Başkanı Ruslan Yunusov ise, yaptığı açıklamada, “İyon tabanlı platform çok umut verici sonuçlar veriyor; bu, iyonların beş yıl kadar kısa bir süre öncesine kadar öncelikli bir çalışma alanı olarak görülmemesi nedeniyle oldukça dikkate değer. Bu, yol haritası çerçevesinde kuantum hesaplamadaki ilk kavramsal sonucumuz niteliğinde” ifadelerini kullandı.

Sırada ne var?

Araştırmacılar tarafından incelenen ileriye dönük görevlerden biri, birkaç qubitin kuantum düzeylerini korelasyonlu hale getirmektir. Kuantum düzeylerini korelasyonlu hale getirmek, bir iyonun durumunun diğerinin durumuna bağlı olarak değişmesi anlamına gelir. Bu nedenle önemli olan sistemdeki elemanların sayısı değil, birlikte çalışabilme olasılıklarıdır. Rus araştırmacılar, 2000’lerin başında geliştirilen Mølmer-Sørensen yöntemini kullanarak iki kuvartı birbirine dolaştırmayı başardılar. Yöntem, tuzaklanmış iyon sistemindeki dalgalanmaların lazerle indüklenen uyarılmasına dayanır. Bir tuzaktaki ilişkili iyon dalgalanmaları, parçacıklar arasında kuantum bilgisini aktarmak için bir tür veri yolu işlevi görür.

Bir başka görev ise, kuantum işlemci prototipine erişim sağlayacak bulut tabanlı bir platform oluşturmak. Buna yönelik ilk uzaktan deneyler başladı, ancak tam teşekküllü bir entegrasyon için arayüzlerin hizalanması gerekiyor. Rosatom ve Rus Kuantum Merkezi’nden araştırmacılar tarafından ortaklaşa yapılacak olan bu çalışmanın 2022 yılında yapılması planlanıyor.

Üçüncü görev, aslına uygunluğu (doğru hesaplamaların olasılığı) geliştirmek. Bu parametre şu anda iki kübitlik işlemler için %66 ve qudit işlemler için %85 seviyesinde bulunuyor. Rusya Bilimler Akademisi Kuantum Teknolojisi Bilim Konseyi’nin geçen Aralık ayında düzenlediği konferansta söz alan FIAN Direktörü Nikolai Kolachevsky, konuşmasında, “Yeteneklerimizi ve bunun soruna ilk yaklaşımımız olduğu gerçeğini göz önünde bulundurarak, operasyonların kalitesini optimize etmeye devam etmemizi sağlayan cesaret verici sonuçlar aldık” ifadelerini kullandı. Kıyaslama yapmak gerekirse, iyon tabanlı kuantum hesaplamada lider olan IonQ ve Quantenuum ekipleri 10 ila 20 iyon kübitli işlemcileri test ederken, yaptıkları testlerin benzerlik oranı %98’i aştı.

Pazarın durumu

Kuantum bilgi işlem pazarı henüz başlangıç aşamasında bulunuyor. Uzmanların yaptıkları tahminler, 38 ila 320 milyon ABD Doları arasında değişen önemli ölçüde farklılık gösterdiğinden, pazarın büyüklüğünü tahmin etmek pek mümkün değil. Pazarın önümüzdeki beş yıl içinde 1-2 milyar ABD Dolarına ulaşacağı ve gelecek 15 ila 30 yıl içinde 450-850 milyar ABD Dolarına kadar büyüyebileceği tahmin ediliyor.

Kuantum hesaplama hem ulusal hükümetlerin hem de özel şirketlerin dikkatini çekiyor. Kuantum teknolojisine yapılan büyük yatırımlar, son birkaç yılda net bir trend oluşturdu. Yüksek Ekonomi Okulu’nun 2022 yılında yayınladığı “Belirli Yüksek Teknolojilerin Geliştirilmesi” raporunda, toplam yatırımların üçte ikisi 2018 yılından sonra yapıldığı, 2021 yılında ise iki ‘kuantum unicorn’ piyasaya sürüldüğü belirtiliyor. Amerikan IonQ’nun değerinin 2 milyar ABD doları olduğu tahmin edilirken, İngiltere merkezli Arqit’in piyasa değerinin ise 1,4 milyar ABD doları olduğu belirtiliyor.

Öte yandan Rusya, ABD, Çin ve Almanya gibi bu konudaki küresel liderlerin gerisinde kalsa da açığı kapatmak adına mali, idari ve bilimsel yönden oldukça yoğun çaba sarf ediyor. Örneğin, Rusya dünya genelinde yayınlanan araştırma makalelerinin %4’ünden fazlasına imza atıyor ve kuantum alanında verilen patent sayısı bakımından sekizinci sırada yer alıyor. Ayrıca, Rus Kuantum Merkezi ve Moskova Devlet Üniversitesi, 2021’de kuantum hesaplama için iki pilot bulut tabanlı hizmet başlattı.

Rosatom, 2021 yılında kuantum teknolojisi ve araştırma altyapısının geliştirilmesi için 6 milyar rublenin üzerinde yatırım yaptı. Yapılan yatırım, laboratuvar ekipmanı ve malzemeleri için harcandı. 2024 yılına kadar bir kuantum bilgisayarının geliştirilmesi için devlet fonlarından ve diğer kaynaklardan toplam 23 milyar rublenin üzerinde bir harcama yapılması planlanıyor. Bu çabaların sonucunda, 2024 yılı sonuna kadar faaliyete geçirilecek bulut erişimli çok amaçlı bir kuantum bilgisayarının ortaya çıkarılması hedefleniyor.