Kuantum bilgisayar nasıl yapılır? Kübit türleri karşılaştırması

Süperiletken kübit, iyon tuzağı, nötr atom, foton ve spin kübitleri: kuantum bilgisayarlar neyden yapılır, kim hangi yolu seçti, artıları ve eksileri.

Ücretsiz Türkçe derslere başla

Kısa cevap

Kuantum bilgisayar, iki durumu olan ve kuantum davranışını koruyabilen küçük fiziksel sistemlerden (kübitlerden) yapılır. Tek bir “doğru” yol yok: süperiletken devreler, tuzaklanmış iyonlar, nötr atomlar, fotonlar ve yarı iletken spinler farklı şirketlerin ve laboratuvarların denediği başlıca yaklaşımlardır. Hepsi aynı mantıkla, yani kuantum devreleriyle programlanır.

İyi bir kübitten ne beklenir?

Kübitin bilgiyi uzun süre koruması (uyum süresi), kapıların hızlı ve düşük hatalı olması, kübitlerin birbirine bağlanabilmesi, güvenilir ölçülebilmesi ve en önemlisi binlerce, hatta milyonlarca kübite ölçeklenebilmesi gerekir. Her donanım bu ölçütlerin bazılarında öne çıkar, bazılarında geride kalır.

Süperiletken kübitler

IBM, Google ve Rigetti’nin kullandığı yaklaşım. Kübit, mutlak sıfırın hemen üstüne (yaklaşık 10–20 milikelvin) soğutulmuş, Josephson eklemi içeren minik bir elektrik devresidir; en yaygın türü transmondur. Kapılar nanosaniyeler mertebesinde çok hızlıdır ve çipler yarı iletken üretim teknikleriyle yapılabilir.

Zayıf yanları: seyreltme soğutucusu gerektirir, uyum süreleri görece kısadır ve her kübit genellikle yalnızca komşularıyla etkileşir. Google’ın 2019’daki kuantum üstünlüğü deneyi ve 2024’teki eşik altı hata düzeltme sonucu bu donanımla elde edildi.

Tuzaklanmış iyonlar

Quantinuum ve IonQ’nun yaklaşımı. Elektrik alanlarıyla vakumda havada tutulan tek tek atom iyonları kübit olarak kullanılır ve lazerlerle kontrol edilir. Tüm iyonlar özdeş olduğu için kübitler çok kaliteli, kapı hataları en düşükler arasındadır ve her kübit diğer her kübitle etkileşebilir.

Zayıf yanları: kapılar süperiletkenlere göre çok daha yavaştır ve tek bir tuzakta çok sayıda iyonu yönetmek zorlaşır; ölçeklemek için iyonları taşıyan karmaşık tuzak mimarileri geliştiriliyor.

Nötr atomlar

QuEra, Pasqal ve Atom Computing’in yaklaşımı. Yüksüz atomlar, “optik cımbız” denen odaklanmış lazer ışınlarıyla iki ya da üç boyutlu diziler halinde tutulur. Atomlar Rydberg durumlarına uyarılarak etkileştirilir. Yüzlerce, hatta binlerce atomlu diziler kurulabilmesi ve atomların yerinin değiştirilebilmesi büyük avantajdır.

Zayıf yanları: kapı hızı ve atom kaybı gibi sorunlar var; teknoloji hızla olgunlaşıyor. Quantum Store’daki Pulser paketi, Pasqal’ın nötr atom cihazlarını programlamayı gösterir.

Fotonlar

Xanadu, PsiQuantum ve Quandela’nın yaklaşımı. Kübit, tek tek ışık parçacıklarının (fotonların) özelliklerinde saklanır. Fotonlar çevreyle zayıf etkileştiği için bilgiyi iyi korur, oda sıcaklığına yakın çalışabilen parçalar kullanılabilir ve fiber ağlara doğal olarak bağlanır.

Zayıf yanları: fotonları birbiriyle etkileştirmek zordur, foton kaybı en büyük hata kaynağıdır. Quantum Store’daki Perceval paketi, Quandela’nın fotonik devrelerini simüle etmeyi gösterir.

Spin kübitleri ve topolojik kübitler

Spin kübitleri: Silikon içindeki tek elektronların ya da çekirdeklerin spini kübit olarak kullanılır. Bugünkü çip fabrikalarıyla üretilebilmesi ve çok küçük olması nedeniyle Intel gibi şirketler bu yolu araştırıyor.

Topolojik kübitler: Microsoft’un izlediği yol. Bilgiyi doğası gereği hatalara dayanıklı “topolojik” durumlarda saklamayı amaçlar. Teorik olarak çok çekici, ancak deneysel olarak hâlâ erken aşamada ve bilim çevrelerinde tartışılıyor.

Hangisi kazanacak?

Henüz kimse bilmiyor. Her yaklaşımın asıl sınavı, hata düzeltmeyle çalışan büyük ölçekli mantıksal kübitlere ulaşmak. Programlama tarafında ise iyi haber şu: Qiskit, Cirq, PennyLane ve TKET gibi araçlarla yazdığın devreler, küçük değişikliklerle farklı donanımlarda çalıştırılabiliyor.

Sık sorulan sorular

Kuantum bilgisayar neden bu kadar soğutulur?

Süperiletken kübitler ısıl gürültüden çok etkilenir; kuantum durumlarının korunması için mutlak sıfırın birkaç yüzde biri derecesine kadar soğutulmaları gerekir. İyon ve nötr atom sistemleri ise vakum ve lazer soğutması kullanır.

Bugün en çok kübite sahip kuantum bilgisayar hangisi?

Kübit sayısı tek başına iyi bir ölçüt değildir; kübitlerin hata oranı ve bağlantısı en az o kadar önemlidir. Nötr atom sistemleri binlerce atomlu dizilere, süperiletken çipler binden fazla kübite ulaştı.

Kuantum bilgisayar donanımını simüle edebilir miyim?

Evet. scqubits ile süperiletken transmon kübitlerin enerji düzeylerini, Pulser ile nötr atom dizilerini, Perceval ile fotonik devreleri kendi bilgisayarında simüle edebilirsin.

Bu rehberdeki kavramlar

Kübit (qubit) · Kübit, kuantum bilgisayarın temel bilgi birimidir: ölçüldüğünde 0 ya da 1 verir, ölçülmeden önce ise ikisinin süperpozisyonunda bulunabilir.
Kuantum hata düzeltme · Kuantum hata düzeltme, bir mantıksal kübitin bilgisini birçok fiziksel kübite yayarak gürültüden kaynaklanan hataları, kübitleri doğrudan ölçmeden bulup düzeltme yöntemidir.
Yüzey kodu (surface code) · Yüzey kodu, kübitleri iki boyutlu bir ızgaraya dizen ve yalnızca komşu kübitler arası işlemlerle çalışan, bugün en çok denenen kuantum hata düzeltme kodudur.
Dekoherans · Dekoherans, kübitin çevresiyle istenmeden etkileşerek süperpozisyon ve dolanıklığını, yani kuantum özelliklerini zamanla kaybetmesidir.
NISQ (gürültülü orta ölçekli kuantum) · NISQ, John Preskill’in 2018’de adlandırdığı, onlarca ile birkaç yüz arası gürültülü ve hata düzeltmesiz kübitle çalışan bugünkü kuantum bilgisayar dönemidir.
Kuantum üstünlüğü · Kuantum üstünlüğü, bir kuantum bilgisayarın belirli bir görevi en güçlü klasik bilgisayarların makul sürede yapamayacağı biçimde yerine getirdiğinin gösterilmesidir.

Tüm kuantum sözlüğü →