Google'ın kuantum hata düzeltme atılımını anlamak

 (quantum-machines.co)
2 puan yazan GN⁺ 2024-11-24 | 2 yorum | WhatsApp'ta paylaş
  • Kuantum bilgisayarların temel birimi olan kübitler son derece hassastır; küçük dış müdahalelerde bile hata oluşur
  • Kuantum hata düzeltme (QEC), çok sayıdaki hassas fiziksel kübiti birleştirerek daha kararlı mantıksal kübitler üretir ve hataları düzeltir
  • QEC'nin temel hedefi, fiziksel kübitlerin hata oranı eşik değerin altında olduğunda daha fazla kübit eklense bile hataların azalmasını sağlamaktır

Google'ın başlıca başarısı: eşik altı hata oranına ulaşmak

  • Google, belirli bir QEC türü olan surface code kullanarak hataları üstel olarak azaltmayı başardı
  • Kod mesafesini (code distance) 5'ten 7 kübite çıkararak mantıksal hata oranını 2,14 kat azalttı
  • Deney sonuçlarında mantıksal kübitlerin, fiziksel kübitlere göre iki kat daha uzun süre dayandığı görüldü
  • Bu, mantıksal kübitlerin fiziksel kübitlerden daha iyi performans gösterdiğini kanıtlayan ilk örnek olup, ölçeklenebilir kuantum bilgisayarlar için önemli bir temel oluşturuyor

Kontrol mühendisliği açısından Google'ın yeniliği

1. Gerçek zamanlı senkronizasyon

  • Tüm hata düzeltme döngülerinin 1.1µs içinde tamamlanması gerekiyordu; bu da kübitler arasında kusursuz senkronizasyon gerektiriyordu
  • Sinyaldeki çok küçük zamanlama hataları bile hata birikimine ve hesaplamanın başarısız olmasına yol açabilir

2. Gerçek zamanlı decoding

  • Decoding, ölçüm verilerini analiz ederek hatanın konumunu ve türünü belirleme işlemidir
  • Google, 63µs gecikmeyle 1 milyondan fazla hata düzeltme döngüsünü işledi
  • Decoder yavaş kalırsa hatalar birikir; bu nedenle gerçek zamanlı decoding zorunludur

3. Yüksek doğruluklu gate işletimi

  • Tek kübit gate hata oranında %0,1'in altı, iki kübitli CZ gate hata oranında ise %0,3 seviyesine ulaşılarak mantıksal kübitlerin kararlılığı sağlandı
  • Gate hataları sistem geneline yayılabildiği için doğruluk kritik önem taşır

Gerçek zamanlı decoding'in önemi

  • Google'ın araştırması, decoder gecikmesinin (latency) ve iş hacminin (throughput) QEC performansı için ne kadar önemli olduğunu gösteriyor
  • Decoding, FPGA gibi donanımlarda hızlı ve doğru biçimde yapılırken GPU daha yüksek hesaplama kapasitesi sunuyor
  • NVIDIA ile Quantum Machines iş birliğiyle geliştirilen DGX Quantum platformu, 4µs altındaki veri gidiş-dönüş gecikmesiyle QEC iş yüklerini destekliyor

Önümüzdeki zorluklar ve görünüm

Google'ın ortaya koyduğu anlam

  • Google, mantıksal kübitlerin fiziksel kübitleri aşabildiğini göstererek hata toleranslı (fault tolerance) kuantum bilişime giden yolu açtı
  • Mantıksal hata oranının üstel olarak azaldığını kanıtlayarak karmaşık kuantum hesaplamaları gerçekleştirme potansiyelini ortaya koydu

Gelecekteki araştırma başlıkları

  • Decoder hızının artırılması ve otomatik kalibrasyon
  • Hızlı hata azaltma stratejilerinin geliştirilmesi
  • Kuantum ve klasik işler arasında entegre kontrol sistemlerinin tasarlanması
  • Hatalar birikmeden önce düzeltilmesini sağlayacak gerçek zamanlı geri bildirim döngülerinin tamamlanması

İlgili okumalar

2 yorum

 
GN⁺ 2024-11-24
Hacker News yorumları

  • Bunun gerçekten iyi bir açıklama olup olmadığından şüpheliyim. Daha girişte takıldım: Klasik bilgisayarlarda hataya dayanıklı belleğin bitleri kopyalayıp çoğunluk oylamasıyla düzelttiğini söylüyor; oysa gerçekte bit kopyalama ve çoğunluk oylaması değil, ECC gibi hata düzeltme kullanılır.
    Aynı etki çok daha az ek bitle elde edilebildiği için bitleri kopyalamak son derece müsriftir. Muhtemelen daha verimli bir stratejinin olmadığı mantık devreleri tarafıyla karıştırmış.

    • Bir fizikçi açısından bakınca, klasik hata düzeltme her zaman basit bir tekrar kodu değildir ama bilgide fazlalık kavramı yine de geçerlidir. Örneğin eşlik denetimleri gibi.
      Kuantum hata düzeltmede klonlama yok teoremi nedeniyle fazlalık aynı şekilde kullanılamaz; bunun yerine daha fazla kübit kullanılarak kübit altuzayı daha büyük bir uzayın içine gömülür. Düzeltilebilir bir hata oluştuğunda bu gömülü altuzay büyük uzayın içinde başka bir “konuma” taşınır; bu algılanıp altuzayın iç durumuna dokunmadan geri alınabildiği için kuantum bilgisi korunur.
    • Doğru bir tespit, ama ilginç bir ek bilgi var. Klasik işlemciler ya da dijital mantık çipleri içindeki elektrik sinyalleri çok sayıda elektrondan oluşur; elektronlar tamamen ideal davranmadığından sık sık sapmalar oluşur.
      Bir sinyalin 0 mı 1 mi olarak yorumlanacağı, elektronların çoğunluğunun hangi yönde hareket ettiğine bağlıdır. Gücü düşürdükçe sinyal başına elektron sayısı azalır ve hatalar artar. Bu anlamda klasik bilgisayarlar ya da fiber optik gibi cihazlarda da donanım alt tabakası düzeyinde tekrar kodu bulunduğu söylenebilir.
    • Bu, LLM’in yapabileceği türden bir hata gibi görünüyor. Bir insanın hata düzeltmeyle “çoğunluk oylaması”/uzlaşmayı karıştırması neredeyse imkânsız.
    • Ben de o noktada duraksadım. Çoğunluk oylaması havacılık gibi sektörlerde kullanılır, ama yine de hesaplama sonucunu doğrulamak içindir; her bellek adresine uygulanmaz.
    • Biraz daha hoşgörülü yorumlarsak, klasik bilgisayar belleğinin her bitin hücre boyutunu büyütme biçiminde örtük bir kopyalama/çoğunluk oylamasına dayandığı söylenebilir. Bir kablo üzerinden sinyal gönderirken tekrar iletimini düşük baud hızına çevirip sinyal seviyesini daha uzun süre korumaya benzer.
      Bit tek bir atomda ya da elektronda saklanmaz. Tek bir biti saklayan hücre, aynı değeri yedekli biçimde saklayan daha küçük hücrelerin paralel bağlı bir kümesi olarak görülebilir; okuma sırasında bellek hücresindeki toplam yük miktarı okunurken analog biçimde bir çoğunluk oylaması kendiliğinden gerçekleşir.
      Bilgisayarlardan ne kadar soyut düzeyde söz ettiğinize bağlı olarak, özellikle kuantum bilgisayarlarla klasik bilgisayarları karşılaştırırken bellek yalnızca RAM değil, durumu tutan her şey anlamına gelebilir; klasik bilgisayarlar da yalnızca masaüstleri değil, basit mantık devrelerini de kapsayabilir. Temelde masaüstü bilgisayar da devasa bir mantık devresidir.
      RAID-1 de var, daha yüksek düzeyde yedekler de var. Bu yüzden klasik bilgisayarlarda hata dayanıklılığı için kopyalamanın gerçekten kullanıldığı yeterince örnek olduğunu düşünüyorum.

  • Tarayıcı yakınlaştırmasını ayarladığınızda gövde metni hariç her şeyin büyüdüğü bir web sitesi yapmış olmaları şaşırtıcı.

    • Kök yazı tipi boyutunu ekranın tam genişliğine göre (1.04vw) belirlemişler, geri kalan stillerde de rem birimi kullanıyorlar.
      Böyle bir yöntemi ilk kez görüyorum. Tarayıcı yakınlaştırmasını baypas etmenin neredeyse tek yolu olabilir.
    • Böyle şeyler yasayla yasaklanmalı. Aklı başında kim böyle bir şey ister ki?
    • Bu yöntem ve diğer CSS yüzünden dikey moddaki telefonda okunabilirken yatay modda yazıların inanılmaz küçülmesi ilginç.

  • Bu arada burada bahsedilen makale 27 Ağustos 2024 tarihinde yayımlandı.
    https://arxiv.org/pdf/2408.13687

  • Kuantum bilişimin nereye gideceğini hâlâ merakla bekliyorum, ama “atılım” için yeni bir ölçütüm var. Bir kuantum bilgisayar birkaç bitten büyük asal çarpanlara sahip bir sayıyı çarpanlarına ayırabilene kadar, en iyi ihtimalle devam eden çalışma olarak göreceğim.

    • Kübit sayısı her yıl 2 kat artsa bile, çarpanlarına ayrılan en büyük sayı göstergesinde yaklaşık 8 yıl boyunca ilerleme yokmuş gibi görünebilir. Ondan sonra ise her yıl çarpanlarına ayrılabilen sayının büyüklüğü 2 katına çıkar ve toplam yaklaşık 15 yıl sonra RSA2048 kırılır.
      Başlardaki durgunluk, hata düzeltme maliyetinin büyük ölçüde ön tarafa yığılmış olmasından kaynaklanır. İlgi alanına bağlı olarak bu göstergenin başlangıçtaki duyarsızlığı dikkat dağıtıcı şeyleri azaltması açısından iyi olabilir ya da gerçek ilerlemeyi düzgün göstermemesi açısından kötü olabilir. Örneğin gerçek iyileşme hızı yılda 2 kat değil de 10 kat ise, RSA2048’in 12 yıl sonra değil 2 yıl sonra kırılacağını fark etmeniz 3 yıl sürebilir.
    • Bu tür projelerin çoğunda olduğu gibi, arada daha küçük ve daha az gösterişli atılımlar ya da kilometre taşları birbirini izleyecek gibi görünüyor.
    • Katılıyorum. Bu alanın uzmanı değilim ama umutlu bir meraklı olarak uzun süredir izliyorum; son zamanlarda kuantum bilişimin güncel klasik bilişimin yerini alarak değerli gerçek dünya problemlerini çözen ticari olarak viable bir alternatif hiç olmayabileceğine dair tahmini olasılığımı yavaş yavaş artırıyorum.
      Ayrıntılı bir argüman kuracak kadar bilmiyorum, ama “elbette zor, ama sonunda oraya varılacak” diye bunu doğal varsayan haberleri her okuduğumda bu endişe doğuyor. Teorik olarak kuantum algoritmalarının değerli gerçek dünya problemlerini çözebileceğine katılıyorum; ancak “ticari olarak viable bir ikame olup gerçek dünya problemlerini çözme” aşamasına gelene kadar hâlâ çok sayıda bilinen bilinmeyen var gibi görünüyor.
      Yeterince güvenilir ve maliyet açısından verimli ölçekte bir çözümün mühendislikle üretilemesini engelleyen temel sınırlar keşfedilmesi ihtimali de var gibi. Artık geriye kalanların çoğunlukla “çok zor mühendislik” olduğundan epey emin olunabileceğine dair bir karşı argüman duymak isterim.
    • Kuantum bilişim atılımlarını her gördüğümde ilk sorum hep “şifrelerim hâlâ güvende mi?” oluyor. Şu an yanıt hâlâ evete yakın görünüyor.
    • O noktaya ulaşılana kadar yaklaşık bin tane atılım çıkacak.

  • Kuantum bilişimdeki her bir ilerlemenin ne sonuç doğuracağını pek bilmiyorum ama bir gün oluşturduğum tüm güvenlik anahtarlarını ve tüm yazılımların kripto algoritmalarını değiştirmem gerekeceği açısından kuantum bilişim riskine maruz olduğumu biliyorum
    Bu başarı bizi kuantum kripto kıyametine ne kadar yaklaştırdı? Bunu üç aylık mühendislik planına bütçe kalemi olarak koymama ne kadar zaman kaldı?

    • Muhtemelen öyle olmayacak. Gerçekten ani ve beklenmedik bir atılım gelmediği sürece, bu konu pratikte önem kazanmadan çok önce kuantuma dayanıklı algoritmalar kullanmak en iyi uygulama hâline gelmiş olacak
      Pratikte sorun yalnızca açık anahtarlı kriptoda; simetrik anahtarlar ise iyi durumda. Biraz basitleştirilmiş bir ifade ama gerçekte büyük ölçüde doğru
    • Asimetrik kripto ve DH tarafına odaklanmak yeterli. Simetrik anahtar 256 bit ise o taraf iyi olacaktır
      İdeal olarak çoğu durumda iş “openssl / openssh / golang-crypto vb. en güncel sürüme yükseltmek ve el sıkışma ayarlarının güncel kripto algoritmalarını kullandığını doğrulamak” kadar basit olmalı. Ancak çeşitli insani nedenlerle protokollerin nasıl değiştirileceği konusunda neredeyse hiç uzlaşma yok, bu yüzden bu hâlâ uzak bir konu
      Bir gün yeni asimetrik anahtarlar da oluşturmak gerekecek; asıl ilginçleşen yer de orası olacak gibi. Donanım tabanlı bir çözüm şu anda yok ve muhtemelen uzun sürecek. Şirketler, regülasyonlar ve federal hükümete satış nedeniyle ABD federal hükümet standartlarına uymaya çalışıyor; federal hükümet protokol standardizasyonunu çok yavaş ilerletiyor ve görünüşe göre daha fazla kimlik doğrulama algoritması eklemek istiyor. İlgili standart olan FIPS 140 onayı bugün bile sadece evrak işlemleriyle bir yıldan fazla sürüyor; herkes daha hızlı hareket etmek istiyor. Yazılım, geliştirme açısından daha hızlı ilerleyebilir ama anahtar çalmayı kolaylaştıran genel ödünleşimleri ve resmî sertifikasyon sorununu aynen taşıyor
    • Başlıca tehdit modeli, şu anda kitlesel gözetimle toplanmış ve bugün kırılamayan verilerin ileride deşifre edilebilir hâle gelmesi
      Bu yüzden şimdiden yeni “kuantum güvenli” güvenlik mekanizmaları geliştiriliyor
    • Kimse tam olarak bilmiyor gibi; saçma sapan tahmin de çok
      20 yıl dayanması gereken bir anahtarınız varsa yeni NIST onaylı standart algoritmaları denemek iyi olur

  • HN’de bu başarının bizi kullanışlı kuantum bilgisayara ne kadar yaklaştırdığını anlayan biri var mı?

    • Google Ar-Ge organizasyonundan bir başka abartılı tanıtım metni. Kuantum devrelerinde oluşan hataları azaltarak sistemdeki mantıksal kübit sayısını artırmaya yönelik teorik bir uygulama; ama son kısmı henüz yapmadıkları için gerçek uygulanabilirliğini hâlâ görmek gerek
      https://arxiv.org/abs/2408.13687
      “Our results present device performance that, if scaled, could realize the operational requirements of large scale fault-tolerant quantum algorithms.”
      Google ölçeklenebilir olup olmadığını test etmeyi unutmuş gibi
    • “Hata toleransı vizyonu” diye geleceğe dönük bir alt bölüm olması, bunun da neredeyse boş laflarla dolup “bu heyecan verici yolculuğa daha yeni başladık, devamını bekleyin!” diye bitmesi bile hiç de yakın olmadığımız anlamına geliyor

  • Bir atılım gibi hissettirmiyor. Olumlu bir mühendislik ilerlemesi olduğu doğru, ama atılım değil
    Ayrıca yapay zekanın bununla ne ilgisi var ki?

    • Makalenin ana noktası değil ama Google bir sinir ağı kod çözücüsü test etmiş ve en yüksek doğruluğu o sağlamış. Ayrıca bazı başka kod çözücüler, doğruluğu artırmak için pekiştirmeli öğrenmeyle bulunan ön olasılıkları kullanmış