Chicago Üniversitesi Pritzker Moleküler Mühendislik Okulu, Harvard, Stony Brook Üniversitesi ve Quantinuum’dan araştırmacılar, non-Abelyen anyonlara dayalı evrensel kuantum hesaplama için gereken işlemlerin tamamını deneysel olarak gösterdi. Nature’da yayımlanan çalışma, bu yaklaşımın farklı kuantum algoritmalarını çalıştırabilecek genişlikte bir işlem seti sağlayabildiğine ilişkin ilk deneysel kanıtı sundu.
Kuantum bilgisayarlar hatalara karşı çok hassas olduğu için bilgiler genellikle çok sayıda fiziksel kübite dağıtılıyor. Ancak hata düzeltme yöntemleri, korunan bilgiler üzerinde evrensel hesaplama için gereken tüm işlemleri kendiliğinden sağlamıyor. Bu eksikliği gidermek için kullanılan “sihirli durumların” üretilmesi ise, sihirli durum damıtması adı verilen ve çok sayıda kübit tüketebilen maliyetli bir süreç gerektiriyor. Araştırmacılar, non-Abelyen kodların bu aşamayı ortadan kaldırabileceğini belirtti.
Non-Abelyen anyonlar doğada bağımsız parçacıklar olarak bulunmuyor; çok sayıda geleneksel kübitin dolaşıklığıyla kuantum devrelerinde oluşturuluyor. Bilgi, bir anyon diğerinin çevresinde hareket ettirildiğinde iç durumlarının değişmesiyle işleniyor. Bu “örgüleme” işlemlerinde hareketlerin sırası önem taşıyor. Bilginin çok sayıda dolaşık kübite yayılması, onu bazı küçük bozuculara karşı da koruyabiliyor.
Araştırmacılar 2024’te Quantinuum’un tuzaklanmış iyon bilgisayarında, karenin dönme ve yansımalarını koruyan D4 simetri grubuyla ilişkili anyonlar üretmişti. Ancak yalnızca örgüleme, evrensel hesaplama için yeterli olmamıştı. Yeni çalışmada ekip, eşkenar üçgenin dönme ve ayna yansımalarını koruyan S3 simetrisini kullanarak Quantinuum’un H2 işlemcisinde 54 dolaşık kübit ile anyonlar oluşturdu.
S3 sisteminde evrensellik, örgülemenin “birleştirme” işlemiyle birlikte kullanılmasına dayanıyor. Bu işlemde iki anyon bir araya getiriliyor ve ortaya çıkan durum ölçülüyor. Ekip, ikili kübitler yerine üç bilgi düzeyi taşıyan topolojik qutritler oluşturdu. Örgüleme ile bir dolaşıklık kapısı, birleştirme ile de iki farklı ölçüm gerçekleştirdi. Bu üç araç birlikte, örgülemenin tek başına yapamadığı işlemler dahil olmak üzere herhangi bir kuantum işlemini ilke olarak mümkün kılıyor.
Deneyde ayrıca topolojik işlemlerle doğrudan sihirli durum üretildi; ancak aktif hata düzeltme uygulanmadı. Araştırmacılar bir sonraki aşamanın bu işlemleri aktif hata düzeltmeyle birleştirmek olduğunu belirtti.
Neden önemli
Çalışmanın önemi, evrensel kuantum hesaplamada gerekli işlem çeşitliliğini sağlamak için kullanılan sihirli durum damıtmasına alternatif olabilecek bir yol göstermesinden kaynaklanıyor. Bu yaklaşım, hata düzeltmeli sistemlerde çok sayıda fiziksel kübite yayılan bilgiyi işlerken gereken kaynakların azaltılıp azaltılamayacağı sorusunu gündeme getiriyor. Sonuçlar, kuantum algoritmalarının yalnızca belirli işlemlerle sınırlı kalmaması hedefi bakımından hem araştırmacılar hem de kuantum donanımı geliştiren ekipler için yeni bir inceleme alanı açıyor. Bununla birlikte deney, yöntemin küçük bozuculara karşı koruma kapasitesini işlem sırasında aktif biçimde sınamadı. Bu nedenle açık soru, gösterilen işlemlerin aktif hata düzeltmeyle birleştirildiğinde ne ölçüde güvenilir ve kaynak açısından uygulanabilir olacağıdır.