Kuantum bilgisayarını iyi yapan şey nedir?

Bir kuantum bilgisayarın diğerinden daha iyi olduğu iddiaları, kuantum avantajı veya kuantum üstünlüğü, hata toleransı veya daha iyi tutarlılığa sahip kubitler gibi terimlere dayanıyor; bunların hepsi ne anlama geliyor? Karmela Padavic-Callaghan gürültüyü süzüyor

On bir yıl önce teorik fizik alanında doktorama yeni başlıyordum ve dürüst olmak gerekirse kuantum bilgisayarları hiç düşünmedim ya da onlar hakkında yazmayı hiç düşünmedim. Bu sırada, Yeni Bilim Adamı personel dünyanın ilk “Kuantum bilgisayarı satın alma kılavuzunu” hazırlamak için yoğun bir şekilde çalışıyordu (biz her zaman diğerlerinden öndeydik). Buna bakıldığında ne kadar farklı bir zaman olduğu ortaya çıkıyor: Santa Barbara’daki California Üniversitesi’nden John Martinis, yalnızca dokuz kubitlik bir dizi üzerinde çalıştığı için övgü aldı ve daha geçen hafta Nobel Fizik Ödülü’ne layık görüldü. Bu arada son yıllarda ortalığı kasıp kavuran nötr atomlardan yapılmış kuantum bilgisayarların adı bile geçmiyor. Bu beni meraklandırdı: Bugün bir kuantum bilgisayar satın alma rehberi nasıl olurdu?

Şu anda dünya çapında kuantum hesaplama donanımı üreten yaklaşık 80 şirket var. Kuantum bilişimi hakkında haber yaptığım için, bu sektörün bir sektör olarak büyümesini yakından izleme ve çok sayıda satış konuşması duyma şansım oldu. Bir iPhone ile bir Android telefon arasında karar vermenin zor olduğunu düşünüyorsanız onlarca kuantum bilişim start-up’ının basın listesinde yer almayı deneyin.

Elbette, pazarlamayla birlikte pek çok abartılı reklam da geliyor, ancak bu cihazları ve yaklaşımları karşılaştırmanın bazı zorlukları, şu anda bir kuantum bilgisayarı oluşturmanın en iyi yolu konusunda bir fikir birliğine varılamaması gerçeğinden kaynaklanıyor. Örneğin, süper iletken devrelerden, aşırı soğuk iyonlardan, ışıktan veya diğer birçok seçenekten yapılmış kübitleri tercih edebilirsiniz. Temelde farklı parçalara sahip olan bu makineler arasındaki farkları nasıl değerlendiriyorsunuz? Her kuantum bilgisayarın performansına odaklanmaya yardımcı olur.

Bu, kuantum hesaplamanın ilk günlerinden bu yana kayda değer bir değişim; bu yeni cihazlar arasındaki şampiyonlar, bir makinenin sahip olduğu kuantum bilgi işlemenin en temel yapı taşları olan kübit sayısına göre belirleniyordu. Birçok araştırma ekibi artık 1000 kübit sınırını aştı ve giderek daha fazla sayıda kübite giden yol her geçen gün daha net görünüyor. Araştırmacılar artık silikondan kübitler yapmak ve hatta kuantum bilgisayarlarını daha büyük ve daha güçlü hale getirmek için yapay zekayı kullanmak gibi standart üretim tekniklerinden nasıl yararlanabilecekleri üzerinde çalışıyorlar.

İdeal bir dünyada, daha fazla kübit her zaman daha fazla hesaplama gücü anlamına gelir çünkü bu, kuantum bilgisayarın daha karmaşık sorunların üstesinden gelmesine olanak tanır. Gerçek dünyamızda, eklediğiniz her yeni kübitin halihazırda sahip olduğunuz kübitlerin performansını kötüleştirmemesini sağlamanın büyük bir teknik zorluk olduğu kanıtlanmıştır. Yani önemli olan sadece sahip olduğunuz kübitlerin sayısı değil, aynı zamanda bilgiyi ne kadar iyi tutabildikleri ve bu bilgiyi bozmadan birbirleriyle ne kadar iyi “konuşabildikleri”. Bir kuantum bilgisayar milyonlarca kübite sahip olabilir ve eğer bu kübitler hesaplamalarda hatalara yol açan aksaklıklara eğilimliyse aslında işe yaramaz olabilir.

Bu aksaklık veya gürültü, bir kübitin veya bir çift kübitin bir şeyi ne kadar doğru bir şekilde yapmasını sağlayabileceğinizi ölçen “geçit doğruluğu” ve bir kübitin sizin için yararlı olan kuantum durumunda ne kadar süre kalabileceğini belirleyen “tutarlılık süresi” gibi ölçümlerle ölçülebilir. Ancak bu önlemler bizi kuantum bilgisayar donanımının en ince detaylarına geri götürüyor. Can sıkıcı bir şekilde, bu ölçümler harika olsa bile, kuantum bilgisayarınıza veri girmenin ve hesaplamayı başlatmanın ne kadar zor olabileceği ve ayrıca nihai sonucu okumaya çalıştığınızda sorunla karşılaşıp karşılaşmayacağınız konusunda hala endişelenmeniz gerekiyor.

Kuantum bilişim endüstrisindeki dikkate değer büyümenin bir kısmı, kubit kontrolünde uzmanlaşmış şirketlerin ve bu cihazların kuantum iç kısımları ile kuantum olmayan kullanıcıları arasındaki zorlu arayüzle ilgilenen kuantum bilgisayarların diğer bölümlerinin yükselişinden kaynaklanıyor. Uygun bir 2025 kuantum bilgisayar satın alma kılavuzunun tüm bu eklentileri içermesi gerekir. Kübitlerinizi, aynı zamanda bir kübit kontrol sistemini ve bu kübitlerin hatalarını düzeltecek bazı mekanizmaları seçmeniz gerekir. Kuantum bilgisayarlar için bir işletim sistemi bile geliştiren araştırmacılarla konuşma şansım oldu, bu yüzden birkaç yıl içinde bu da alışveriş listenizin bir parçası haline gelebilir.

Yakın vadeli bir istek listesi oluşturmak zorunda kalsaydım, bahislerimi çok düşük hata oranlarına ve mümkün olduğunca çok yerleşik hata düzeltmesine sahip, en az bir milyon işlem gerçekleştirebilen bir makineye (kabaca, bir milyon adımdan oluşan bir kuantum hesaplama programına) tercih ederdim. California Teknoloji Enstitüsü’nden John Preskill bunu “megaquop” makinesi olarak adlandırıyor. Geçen yıl bana böyle bir makinenin hataya dayanıklı veya hataya dayanıklı olacak ve bilimsel açıdan anlamlı keşifler yapacak kadar güçlü olacağına inandığını söyledi. Ama henüz orada değiliz. Bugün sahip olduğumuz kuantum bilgisayarlar on binlerce işlemi yürütüyor ve yalnızca nispeten küçük görevler için hata düzeltmesi yapabiliyor.

Bir bakıma günümüzün kuantum bilgisayarları ergenlik çağında, kullanışlılığa doğru olgunlaşıyor ama hâlâ büyümekte olan zorluklar yaşıyor. Bu nedenle, gelen kutumdaki kuantum bilgisayar tüccarlarına en sık sorduğum soru şu: “Bu makine gerçekte ne yapabilir?”

Burası sadece farklı türdeki kuantum bilgisayarları karşılaştırmakla kalmayıp aynı zamanda onları geleneksel muadilleriyle karşılaştırmamız gereken yer. Kuantum donanımı pahalı ve inşa edilmesi zordur; peki ne zaman bir sorunu çözmek için gerçekten tek geçerli seçenek olacak?

Bu soruyu cevaplamanın bir yolu, geleneksel bilgisayarların sınırsız zamanları olmadığı sürece tamamlayamayacakları hesaplamaları belirlemeye çalışmaktır. Halk dilinde buna “kuantum üstünlüğü” adı veriliyor ve kuantum mühendislerinin uykusunu çaldığı kadar matematikçileri ve karmaşıklık teorisyenlerini de geceleri uyanık tutuyor. Kuantum üstünlüğünün örnekleri mevcut, ancak bunlar zahmetli. Anlamlı olmaları için pratik olmaları gerekir – bunları çalıştırabilecek bir makine yapabilmeniz gerekir – ve zeki bir matematikçinin bunları çalıştıracak geleneksel bir bilgisayar bulamayacağından emin olabileceğiniz şekilde kanıtlanabilir olmaları gerekir.

1994 yılında fizikçi Peter Shor, büyük sayıları çarpanlarına ayıran bir kuantum hesaplama algoritması geliştirdi; bu algoritma, örneğin dünya bankaları tarafından şu anda kullanılan en yaygın şifreleme yöntemlerini kolayca kırmak için kullanılabilecek. Kendi hatalarını düzelten yeterince büyük bir kuantum bilgisayar bu algoritmayı pratikte çalıştırabilir, ancak matematikçiler şu ana kadar klasik bilgisayarların büyük sayıları hiçbir zaman bu kadar verimli bir şekilde çarpanlara ayıramayacağını kesin olarak kanıtlayamadılar. En dikkate değer kuantum üstünlüğü iddiaları da bu kategoriye giriyor ve bunlardan bazıları eninde sonunda klasik makineler tarafından mağlup edildi. Halen ayakta olan kuantum üstünlüğü gösterileri de henüz kullanışlı görünmüyor ve öncelikle onları tamamlayan bilgisayarın kuantumluluğunu sergilemek için tasarlandı.

Spektrumun diğer tarafında, kuantum yaklaşımının üstünlüğünün kesin olarak kanıtlandığı, ancak uygulanması pratik veya kesin olarak yararlı bir şey yapan ilgili algoritmaların bulunmadığı “sorgu karmaşıklığı” matematik alanındaki problemler vardır. Yakın zamanda yapılan bir deney, bir kuantum bilgisayarının, klasik bir bilgisayarda aynı sorunu çözmek için gereken bit sayısından daha az sayıda kubit kullanarak bir görevi çözdüğü “kuantum bilgi üstünlüğü” fikrini de ortaya çıkardı. Burada kuantum bilgisayarın daha az ihtiyaç duyduğu kaynak zaman değil, fiziksel yapı taşlarının sayısıydı. Bu umut verici görünebilir, çünkü bir kuantum bilgisayarın önce çok büyük bir yapıya gerek kalmadan bir şeyler yapabileceğini ima eder, ancak bunu basit bir nedenden dolayı satın almanızı tavsiye etmem; söz konusu görevin yine gerçek dünyada belirgin bir kullanımı yoktu.

Elbette, tarım ve tıpta önemli olan moleküllerin özelliklerinin belirlenmesi veya uçuşların planlanması gibi lojistik problemlerin çözülmesi gibi kuantum bilgisayar algoritmalarına iyi bir eşleşme gibi görünen gerçek dünya sorunları var. Ama “görünüyor” demek zorundayım çünkü gerçek şu ki araştırmacılar henüz tüm detayları bilmiyor.

Örneğin, İtalya’daki San Raffaele Bilim Enstitüsü’nden Aurora Maurizio ve İsviçre’deki Zürih Üniversitesi’nden Guglielmo Mazzola, kuantum hesaplamanın genomik için olası kullanımları üzerine yakın zamanda yapılan bir araştırmada, geleneksel hesaplama yöntemlerinin o kadar iyi olduğunu ve “kuantum hesaplamanın yakın gelecekte yalnızca yeterince zor görevlerin belirli bir alt kümesi için hızlanma sağlayabileceğini” yazdı. Çalışmalarının mesajı şu: Her ne kadar genomikteki kombinatorik problemler ilk bakışta kuantum bilgisayarın işi hızlandırabileceği bir alan gibi görünse de, daha yakından bakıldığında bunların kullanımının çok hedefli ve dikkatli olması gerektiği ortaya çıkıyor.

Gerçek şu ki, kuantum bilgisayarları gürültünün ve diğer tüm teknik sorunların üstesinden gelebilse ve algoritmaları klasik bilgisayarlardan daha hızlı çalıştırabilse bile, kuantum üstünlüğünü kanıtlamak için özel olarak oluşturulmamış birçok problem için, “daha hızlı”nın ne anlama geldiğine dair bir spektrum vardır. Bu her zaman katlanarak daha hızlı anlamına gelmediğinden, bir kuantum bilgisayarın getirebileceği zaman tasarrufu her zaman donanım maliyetlerini tam olarak dengelemez. Örneğin, Shor’unkinden sonra ikinci en ünlü kuantum hesaplama algoritması olan bilgisayar bilimcisi Lov Grover’ın arama algoritması yalnızca ikinci dereceden bir hızlanma sunuyor; hesaplamanın çalışma süresini üstel yerine karekökle kısaltıyor. Sonuçta, kuantum geçişini haklı çıkaracak kadar hızlı olanın ne kadar hızlı olacağı her bir kuantum bilgisayar alıcısına kalmış olabilir.

Ve biliyorum, bunun sözde satın alma kılavuzuna dahil edilmesi sinir bozucu bir satır, ancak kuantum bilgisayarlar hakkında uzmanlarla yaptığım konuşmalardan öğrendiğim bir şey varsa o da kuantum bilgisayarların neler yapabileceği hakkında kesin olarak bildiğimizden çok daha fazla bilmediğimiz şey olduğudur. Kuantum bilgisayarları geleceğin pahalı ve karmaşık teknolojisidir ve bunların sadece bazı şirketlerin hissedarlarına değer katmak yerine hayatlarımıza nerede değer katabileceklerini henüz tatmıyoruz. Her ne kadar tatmin edici olmasa da bunun kuantum bilgisayarların gerçekte ne kadar farklı ve yeni olduğunun bir göstergesi olduğuna inanıyorum; bunların gerçekte ne kadar bilişimin sınırı olduğu.

Ancak, bulabileceğiniz kadar büyük ve güvenilir bir kuantum bilgisayarına ayırabileceğiniz yüklü miktarda harçlığınız olduğu için bunu okuyorsanız, lütfen onu alın ve yerel kuantum algoritması meraklılarınızın onunla uğraşmasına izin verin. Birkaç yıl içinde muhtemelen size çok daha iyi tavsiyeler verebilirler.