Süper iletken bilgi işlem devreleri, 1980’lerde kısaca bilgi işlemin geleceği olarak müjdelendi. Köşe Yazarı Karmela Padavic-Callaghan bir şirketin bu teknolojinin ikinci eyleminin kuantum bilgisayarlarda devrim yaratacağına bahse girdiği bir kuantum çip dökümhanesini ziyaret ediyor
Adam Weiss, bir kuantum çip dökümhanesi olan SEEQC’de bir seyreltme buzdolabını yapılandırıyor
İngiliz heavy metalinin yeni dalgasından, dönemin makyaj sanatçılarının tercih ettiği bol mor allığa kadar 1980’lere dair sevdiğim pek çok şey var. Ancak tüm bu saçların, gürültünün ve çekiciliğin arasında göz ardı edilen bazı süperstarlar da vardı: süperiletken devreler. 1980 yılında bilgi işlem devi IBM, devrim yaratacak kadar verimli bilgisayarlar üretmek için bu teknolojiye güveniyordu. Aynı yılın mayıs ayında popüler bilim dergisi Bilimsel Amerikan Hatta kapağına süper iletken bir devre bile koydu.
Ama devrim asla gelmedi. Süper iletken bilgisayar çipleri, perma ve çivili pantolonların yolunda gitmiş gibi görünüyordu. Ancak bir şirket araştırmayı canlı tuttu. Yakın zamanda SEEQC’nin genel merkezini ve firmanın New York’un kuzeyindeki, kısmen IBM’in kapatılan süper iletken bilgi işlem programından doğan kuantum çip dökümhanesini ziyaret ettim. Orada, şirketin süperiletken çiplerin bu kez kuantum bilgisayarlarla yeni bir teknolojik devrimde rol oynayacağına dair umutlarını öğrendim.
SEEQC’nin üretim tesisinde etrafım büyük makineler ve tam vücut koruyucu giysiler giyen teknisyenlerle çevrili. Bu temiz odaların bazılarında, süper iletken metal niyobyumun ultra ince katmanları, dielektrik malzeme katmanları üzerinde tekrar tekrar ve dikkatli bir şekilde biriktirilerek, sandviç benzeri hassas bir yapı oluşturulur. Diğerlerinde ise litografi cihazları bu yapıların üzerine karmaşık devreler yazmak için ışığı kullanıyor ve her küçük hendek ve oyuk, onları çalıştıran kuantum süreçleri için önemli hale geliyor. Tüm zemin gürültüyle dolu ve her şey sarı ışıkla parlıyor, bana söylendiğine göre bu, talaş yapma sürecini diğer renklere göre daha az etkiliyor. Bitişikteki bir konferans odasında konuşurken, SEEQC’nin icra kurulu başkanı John Levy bana şirketin süper iletken çipinin bir versiyonunu veriyor ve bunun, zaten fütürist olan bir sektörü değiştirmeyi amaçlayan bir cihaz için ne kadar mütevazi derecede küçük ve kare olduğuna hayret ediyorum.
Çözmemiz gereken sorun
Süperiletkenler, elektriği mükemmel bir verimlilikle iletir; bu da onları elektronik için yaygın olarak kullandığımız tüm malzemelerden önemli ölçüde farklı kılar. Telefonunuzu şarj etmek için taktığınızda, kablo veya şarj cihazı sıklıkla ısınır ve telefonunuz için harcanan enerji azalır. Bu o kadar oluyor ki, bilgisayar bilimcisi Michael Frank 2017’de şöyle yazmıştı: “Geleneksel bir bilgisayar, özünde, yan etki olarak az miktarda hesaplama yapan pahalı bir elektrikli ısıtıcıdır.”
Süper iletken bileşenlere sahip bir bilgisayarda bu sorun yaşanmaz. Ancak bir sorun var: Bilinen tüm süper iletkenlerin çalışması için ya aşırı derecede soğuk tutulması ya da aşırı baskı altına alınması gerekiyor. Bu, süper iletken bir bilgisayarın her zaman mutlak sıfırın yalnızca birkaç derece üzerinde tutulması gerektiği anlamına gelir. Tarihsel olarak bunun çok maliyetli ve zahmetli olduğu ortaya çıktı. IBM, süper iletken hesaplama konusundaki araştırma çabalarını 1983 yılında sonlandırdı. Isı yayan geleneksel bilgisayarlar kazandı ve ironik bir şekilde, hesaplamanın enerji maliyeti yalnızca arttı ve bugün büyük ölçüde yapay zeka patlaması nedeniyle hızla yükseldi.
Ancak süperiletkenler birkaç on yıl sonra yeniden ilgi odağı oldular. 1999 yılında Japonya’daki bir araştırma ekibi, bir kuantum bilgisayarının en temel yapı taşı olan ilk süper iletken kuantum bitini veya kübiti yaptı. Bu, araştırmacıların on yıl önce denediğinden temel olarak farklı bir öneriydi. Yaygın olarak kullanılan bilgi işlemi süper iletken malzemelerle kopyalamak yerine, herhangi bir geleneksel bilgisayarda bulunmayan mekanizmalar aracılığıyla bilgiyi işleyen cihazlarla tamamen yeni bir bilgi işlem türüne kapıyı araladılar.
Kuantum hesaplama o zamandan beri uzun bir yol kat etti ve süper iletken kubitler bu ilerlemede rol oynadı. Google ve IBM, bunları günümüzün en güçlü kuantum bilgisayarlarından bazılarını çalıştırmak için kullanıyor ve bu cihazlar, cesaret verici bir başarı ile bilimsel açıdan ilginç sorunların üstesinden gelmeye başladı. Klasik bilgisayarlara karşı “kuantum üstünlüğünü” gösteren bazı gösteriler tartışmasız duruyor ve bu makinelerin daha önce yapılmış bilgisayarlardan temel olarak farklı olduğu vaadini güçlendiriyor.
Aynı zamanda, kuantum bilgisayarlar yıkıcı vaatlerini henüz yerine getiremediler: yaygın olarak kullanılan şifrelemeyi kırmadılar, yeni harika ilaçlar keşfetmediler veya endüstriyel kimyada devrim yaratmadılar, bunlardan sadece birkaçı. Bunlardan herhangi birini yapmanın yolu teknik zorluklar ve mühendislik engelleriyle dolu olmaya devam ediyor.
Cevabın bir kısmı 1980’lerde yatıyor olabilir mi? Levy kesinlikle öyle düşünüyor. Ekibinin, kuantum bilgisayarların aynı anda daha büyük, daha güçlü ve hatalara karşı daha kolay dayanıklı olmasını sağlayacak dijital süper iletken çipler ürettiğini söylüyor. Koridorun aşağısında araştırmacılar her türden boru şeklindeki buzdolaplarındaki çipleri test ediyorlar ve kendisi bana onların sadece bir alet veya bir bileşen daha yapmayı değil, şu anda kuantum bilgisayarları hantal ve verimsiz yapan birçok bileşenin yerini almayı hedeflediklerini söylüyor.
Süper iletken bir kuantum bilgisayarının özünde, süper iletken kübitlerle dolu bir çip ve bu çipin çalışır durumda tutulması gereken bir buzdolabından oluşur. Dışarıdan baktığınızda, genellikle bir insan boyunda olan kaygan dikdörtgen bir kutu görebilirsiniz. Ama dahası da var. Qubit’ler kontrol edilmeli ve izlenmeli, geleneksel bir bilgisayardan bunlara bilgi girilmeli ve hesaplama sonuçları da bir bilgisayar tarafından okunmalıdır. Qubit’ler aynı zamanda kırılgandır ve hata yapmaya eğilimlidir, bu nedenle birçok kübiti aynı anda gerçek zamanlı olarak izleyen ve ayarlayan karmaşık kontroller gerektiren hata düzeltme algoritmalarını çalıştırmaları gerekir. Bu nedenle, bir kuantum bilgisayarın kuantum olmayan bileşenleri, işleyişi açısından son derece önemlidir ve bunlar çok fazla yer kaplar ve çok fazla enerji tüketir. Kübitleri barındıran her uzun buzdolabının arkasında, genellikle enerji harcayan geleneksel cihazların raflarıyla dolu, aynı yükseklikte birkaç dolap bulunur. Ve bilgisayarın kuantum ve kuantum olmayan kısımlarını birbirine bağlayan sayısız kablo var.
Bir bilgisayarı daha güçlü kılmak için yapmanız gereken daha fazla kübit eklemek, daha da fazla kablo gerektirir. SEEQC’nin baş teknik sorumlusu Shu-Jen Han, “Fiziksel olarak sonsuza kadar kablo eklemeye devam edemezsiniz” diyor. Sadece buzdolabının içindeki alan sorun yaratmakla kalmıyor, aynı zamanda her kablo beraberinde bir miktar ısı getiriyor, bu da kübitleri rahatsız ediyor ve performanslarını bozuyor. Kübitlerin nasıl bağlandığı, kontrol edildiği, kablolandığı ve paketlendiği, teknolojinin yalnızca mühendislerin ve uzmanların endişelenmesi gereken önemli bir yönü gibi görünebilir, ancak kuantum bilgisayarların daha fazla olgunlaşmasını engelleyen sorunlardan biri haline geldi.
Elimdeki SEEQC çipi bunların çoğunu çözebilirdi.
SEEQC’nin kuantum çipi
Tıpkı bir bilgisayar çipini hayal edebileceğiniz gibi görünüyor; küçük ve düz, biraz daha büyük bir dikdörtgenin üzerinde metalik bir dikdörtgen bulunuyor. Levy, küçük dikdörtgenin süper iletken kübitleri içerdiğini, daha büyük olanın ise bu kübitleri dijital olarak kontrol edebilen, süper iletken malzemelerden yapılmış geleneksel bir bilgi işlem çipi olduğunu açıklıyor. Her ikisi de süper iletken olduğundan aynı buzdolabına yerleştirilebilirler ve bu da kuantum bilgisayarların şu anda kullandığı oda sıcaklığındaki cihazların çoğuna olan ihtiyacı ortadan kaldırır.
Buzdolabına fazladan ısı vermemek açık bir avantajdır, ancak süper iletken kontrol çipi aynı zamanda çok daha az enerji tüketir. SEEQC, bir kuantum bilgisayarın enerji verimliliğinde milyar kat iyileşme sağlayabileceğini öngörüyor. Quantum Energy Initiative’in tahminleri, büyük, hatasız kuantum bilgisayarlara yönelik bazı tasarımların, mevcut geleneksel süper bilgisayarlardan (tüm odaları dolduran devasa devler) daha fazla enerji gerektireceğini ve bu enerji tüketiminin büyük kısmının klasik bilgi işlem bileşenlerinden kaynaklanabileceğini gösteriyor.
İki çip (bilgi işlem yapan kuantum çip ve onu kontrol eden klasik çip) birbirine yakın olabildiği için kübitlere talimatların iletilmesinde ve bunların hesaplamalarının hem okunmasında hem de hataların düzeltilmesinde daha az gecikme olur. Levy ayrıca bana çipin sinyalleri dijital olduğu için kontrol ettiği kübitlerin daha az “karışma” veya istenmeyen etkileşimlere sahip olması gerektiğini ve bu da onları hataya daha yatkın hale getirdiğini söyledi.
2025’te David DiVincenzo ile konuştum; kendisi neredeyse 20 yıl önce, araştırmacıların hâlâ takip ettiği, çalışan bir kuantum bilgisayar inşa etmek için yedi koşulu önerdi. Bana, kullanışlı ve güçlü bir kuantum bilgisayarı hayal ettiğinde, bunun, bir dizüstü bilgisayar veya veri merkezindeki bir raftan çok, parçacık çarpıştırıcı tesislere benzeyen, makinelerle dolu tüm odaları içerebilecek milyon kübitlik bir cihaz olacağını söyledi. SEEQC ekibi bu büyük gelecekten kaçınmak için çalışıyor. Bilgisayar tutkunları ENIAC’ı değil Mac’i düşünün.
SEEQC ekibi şu anda çiplerini çeşitli konfigürasyonlarda ve hem kendi araştırmacıları hem de diğer kuantum bilgisayar üreticileri tarafından yapılan kübitlerle test ediyor. Levy, ilk testlerin genel olarak iyi bir performans gösterdiğini ve bunun da çipin çok yönlülüğüne işaret ettiğini söylüyor. Aynı zamanda, tüm testler az sayıda kübitle (tipik olarak 10’dan az) sınırlıydı; bu, firmanın etkinleştirmeyi umduğu geleceğin pratik kuantum bilgisayarlarından birkaç kat daha küçük.
Fizik sorunları da ortaya çıkıyor; süperiletkenler, bazı kubitleri ayarlamak için kullanılanlar gibi yakınlarda bir manyetik alan olduğunda küçük kuantum girdaplarıyla dolma eğilimi gösteriyor. SEEQC’nin baş bilim sorumlusu Oleg Mukhanov bana firmanın bu sorunla başa çıkmak için geliştirdiği, girdapların başka bir elektromanyetik alan tarafından süpürüldüğü yöntemi anlattı. Kısaca, yüksek lisans yıllarımda süperiletken fiziği üzerine derslerde oturduğum zamana ışınlandım; en fütüristik teknolojiler bile temel kuantum etkilerinin kaprislerinden kaçamaz.
Süper iletken devreler yükselip beni daha da geriye gönderebilir mi? 80’lerin kuantum dünyasına geri dönüş yapmasının zamanı gelmiş olabilir, yine de omuz vatkalarını geride bırakacağımızı umuyorum.
