IBM ve Intel’in Ticari Kuantum Bilgisayar Yolundaki Farklı Bahisleri

Ticari kuantum bilgisayar yarışında mesele yalnızca daha fazla fiziksel kübit üretmek değil. Hataların kontrol edilmesi, çok sayıda işlemciyi çalıştıracak kablolama ve soğutma altyapısının kurulması, ardından da klasik sistemlere göre müşterinin para ödemesini gerektirecek kadar belirgin bir faydanın gösterilmesi gerekiyor.

IBM ve Intel bu problemin farklı katmanlarına ağırlık veriyor. IBM, yakın vadede hata azaltma yöntemlerini modüler süperiletken sistem tasarımıyla birleştiriyor. Intel ise silisyum spin kübitleri ve kriyojenik kontrol elektroniği geliştirirken, kuantumu CPU ve GPU’ların yanına yerleşecek uzmanlaşmış bir hesaplama bileşeni olarak görüyor.

IBM’in spacetime PEC yöntemi: Tespit edilebilen hatayı ele, kalanı istatistiksel olarak azalt

IBM’in spacetime probabilistic error cancellation (spacetime PEC) adını verdiği yöntem, her hatayı eksiksiz biçimde düzelttiğini iddia etmiyor. Bunun yerine iki tekniği bir araya getiriyor.

İlk katmanda, yardımcı kübitler ve devrenin hem kübitleri hem de zaman adımları boyunca dağıtılmış kontroller kullanan bir hata tespit mekanizması bulunuyor. Bu kontrolleri ihlal eden çalıştırmalar işaretleniyor ve post-selection yoluyla sonuç kümesinden çıkarılıyor. Ardından IBM, tespit edilemeyen kalan hataların etkisini tahmin etmek ve istatistiksel olarak gidermek için olasılıksal hata iptali (PEC) uyguluyor. PEC, devrenin değiştirilmiş sürümlerini örnekleyip sonuçlarını ağırlıklı tahminlerle birleştirerek çalışıyor.

Bu ayrım kritik: Yöntem, hata toleranslı kuantum hata düzeltmesi değil, hata azaltma yaklaşımıdır. Gürültülü bir işlemciden elde edilen tahmini iyileştirebilir; ancak günümüzün fiziksel kübitlerini süresiz biçimde güvenilir mantıksal kübitlere dönüştürmez.

63 katlık sonuç tam olarak ne ifade ediyor?

Araştırmacılar birleşik yöntemi IBM’in süperiletken ibm_aachen işlemcisinde, enine alanlı Ising modeli simülasyonunda sınadı. Ön baskı makalesi, protokolün ortalama manyetizasyonu altı Trotter adımına kadar istatistiksel belirsizlik sınırları içinde yeniden ürettiğini ve post-selection kullanılmayan PEC’e kıyasla tahmini örnekleme ek yükünü 63 kata kadar azalttığını bildiriyor.

Bu dikkat çekici ama dar kapsamlı bir ölçüm. Söz konusu sayı, bu deneydeki tahmini örnekleme maliyetinin karşılaştırmasıdır; toplam çalışma süresinde 63 kat iyileşme ya da genel amaçlı kuantum hızlanması anlamına gelmez. Post-selection bazı ölçümlerin zorunlu olarak atılmasına yol açar. PEC’in işe yaraması ise gürültünün istatistiksel iptalini mümkün kılacak kadar iyi modellenmesine bağlıdır. Ayrıca sonuç, geniş kapsamlı hata toleranslı hesaplamanın hakem değerlendirmesinden geçmiş bir gösterimi değil, arXiv’de yayımlanmış bir ön baskıdır.

Pratikte IBM’in önerisi bir ara yol sunuyor: Tanınabilen hata işaretlerini taşıyan ölçümleri ayıkla, maliyetli azaltma işlemini ise geriye kalan hatalara uygula. Bu yaklaşım gürültülü donanımda yararlı hesaplamaların sınırını genişletebilir; fakat aktif hata düzeltme ve mantıksal kübit ihtiyacını ortadan kaldırmaz.

Kuantum bilgisayarlarda “buzdolabı” neden işlemci kadar önemli?

Süperiletken kuantum işlemciler çok düşük sıcaklıklarda çalışır. Her kübit için kontrol ve okuma bağlantıları gerekir; işlemci sayısı ve kübit yoğunluğu arttıkça geleneksel kriyojenik sistemlerde kablo yoğunluğu ile ara bağlantılar ciddi bir tasarım sorununa dönüşür.

IBM, kutu biçimli iki kriyojenik hücreyi termal olarak yalıtılmış bir tünelden geçen kuantum kablolarıyla tek çalışma ortamında birleştirdi ve sistemin sıcaklığını 15 milikelvinin altına indirdi. Her hücre yerleşik seyreltme soğutma teknolojisini kullanıyor. Yeni olan, modüllerin yan yana yerleştirilmesine ve daha fazla kablo ile çipler arası bağlantıya alan açan kutu biçimli yapı. IBM’e göre her modülün vakum muhafazası, yaygın kullanılan kuantum sistemlerine kıyasla 12 kata kadar daha fazla kablolama alanı sunuyor.

Buradaki ticari fikir, tek bir dar buzdolabının içine giderek daha büyük tekil işlemciler sıkıştırmak yerine, kısa ve korunaklı bağlantılarla işlemcileri modüler biçimde bağlamak. Böylece kapasite eklemek ve uzun dış bağlantıların getirdiği yönlendirme karmaşıklığını azaltmak hedefleniyor.

Nighthawk, 2027 için 1.000 kübit ve 2029 için Starling

IBM, mimarinin sonraki test aşamasında modüler sistemlere Nighthawk işlemcilerini yerleştirmeyi planlıyor. Şirketin yol haritası, bağlı işlemciler genelinde 2027’ye kadar en az 1.000 programlanabilir kübit ve 2029’da planlanan hata toleranslı sistem IBM Quantum Starling hedefini içeriyor. 1718

Bunlar teslim edilmiş yetenekler değil, yol haritası hedefleri. Yine de IBM’in hata yönetimini, modüler donanımı, işlemciler arası bağlantıları, kablolamayı ve kriyojenik çalışmayı tek bir ölçekleme problemi olarak ele aldığını gösteriyor.

Intel’in yaklaşımı: Kuantum, CPU ve GPU’nun alternatifi değil tamamlayıcısı

Intel CEO’su Lip-Bu Tan, kuantum işlemcilerini belirli uygulamalarda CPU ve GPU’larla birlikte çalışacak üçüncü bir hesaplama donanımı sınıfı olarak tanımlıyor. Bu modelde klasik işlemciler ve hızlandırıcılar iş akışını yönetir ve geleneksel hesaplamayı üstlenirken, kuantum işlemci yalnızca kuantum algoritmalarının anlamlı bir avantaj sağlayabileceği görevlerde devreye girer. 5

Bu, klasik bilişimin yerine geçme iddiasına göre daha sınırlı; ama daha gerçekçi bir ticari öneri. Yararlı bir kuantum iş akışının, hızla gelişen klasik yüksek başarımlı hesaplama ve yapay zekâ sistemleri karşısında ek donanım, yazılım ve işletim karmaşıklığını haklı çıkaracak bir değer üretmesi gerekir.

Tunnel Falls: Silisyum spin kübitleri için araştırma platformu

Intel’in Tunnel Falls işlemcisi, araştırma topluluğuna sunulmuş 12 kübitli bir silisyum spin kuantum işlemcisidir. Amaç; kübitlerin çalışması, karakterizasyonu, üretimi ve yarı iletken endüstrisine özgü üretim yöntemleriyle ölçeklenmesi üzerine araştırma yapılmasını sağlamaktır. Intel bunu başlı başına ticari bir ürün değil, tam yığınlı ticari kuantum sistemine giden yolda bir adım olarak tanımlıyor.

Silisyum spin kübitlerinin stratejik çekiciliği üretilebilirlik potansiyelinde yatıyor. Teknoloji olgunlaşırsa geleneksel yarı iletken üretiminde geliştirilen süreç disiplininden ve tekniklerden yararlanabilir. Ancak Tunnel Falls hâlâ araştırma ölçeğinde bir cihaz; hata toleransı için gereken ölçekte bu potansiyelin kanıtlanması gerekiyor.

Horse Ridge II: Kontrol elektroniğini kübitlere yaklaştırmak

Intel’in çözmesi gereken bir başka sorun da kontrol altyapısı. Horse Ridge II, kübitleri yöneten ve okuyan klasik elektroniğin kriyojenik ortamla daha sıkı bütünleşmesini hedefleyen kontrol çipi çalışmasıdır. Intel, kriyojenik kontrolü kuantum sistemleri araştırmasının temel unsurlarından biri olarak görüyor; programla ilgili yayınlar Horse Ridge II’nin yaklaşık 4 kelvinde çalıştığını belirtiyor.

Kontrolün bir bölümünü kriyojenik ortama yaklaştırmak, oda sıcaklığından gelen büyük kablo demetlerine bağımlılığı azaltmayı amaçlıyor. Sistem büyüdükçe bu kablolar önemli bir darboğaz oluşturabilir. Tunnel Falls ile Horse Ridge II birlikte düşünüldüğünde, Intel’in hem kübit teknolojisini hem de onu çalıştıracak kontrol katmanını geliştirdiği görülüyor.

Yarış kalabalık, pazar hâlâ belirsiz

Sektörde hedef tarihler on yılın sonuna doğru yığılıyor. Microsoft, Majorana 2 çalışmasının ticari açıdan yararlı kuantum makineleri için 2029 hedefini desteklediğini söylüyor; şirket, yeni sistemde kübitlerin ortalama ömrünü yaklaşık 20 saniye olarak bildiriyor. Ancak bunlar şirketin açıkladığı kilometre taşları ve hedeflerdir; ticari olarak yaygınlaştırılmış hata toleranslı bir makinenin bugün var olduğunun kanıtı değildir. 29

Amazon yöneticisi Peter DeSantis ise daha temkinli bir tahmin ortaya koyuyor: İlk ticari açıdan yararlı küçük ölçekli kuantum bilgisayarlar beş ila yedi yıl içinde görülebilir. 6 Bu tahmin, 2030’ların başına işaret ediyor ve donanım kilometre taşıyla tekrarlanabilir iş değeri arasındaki farkı vurguluyor.

Intel’in hata düzeltmeye, uygulamalara ve bu teknoloji için kimin ödeme yapacağına yaptığı vurgu, ticarileşmedeki asıl boşluğu tarif ediyor. Daha çok kübit, daha iyi kriyojenik altyapı ve daha düşük hata azaltma maliyeti gerekli ilerlemeler; ancak bunların hiçbiri tek başına talebi kanıtlamaz. Belirleyici sınav, CPU-GPU-kuantumdan oluşan hibrit bir iş akışının klasik sistemlerin aynı verimle çözemediği bir müşteri probleminde doğrulanmış ekonomik avantaj üretip üretemeyeceği olacak.

Şimdilik IBM’in spacetime PEC ve modüler kriyojenik çalışmalarıyla Intel’in silisyum spin ve kontrol donanımı projeleri, önemli mühendislik adımları olarak görülmeli. Bunlar, yaygın ve ekonomik açıdan uygulanabilir kuantum bilişimin geldiğinin kanıtı değil; onu mümkün kılma çabalarıdır.