Kuantum bilgisayarların çözebileceği türden sorunlardaki hızlı ilerlemeler, onların bilimsel keşifler için yararlı araçlar olmaya her zamankinden daha yakın olduklarını gösteriyor.
Kuantum bilgisayarları kuantum nesnelerinin nasıl davrandığını anlamamıza yardımcı olabilir
Geçen yıl aynı hikayeyi editörüme anlatmaya devam ettim: Kuantum bilgisayarlar bilimsel keşifler için kullanışlı hale gelmenin eşiğinde.
Tabii ki amaç her zaman bu oldu. Evrenimizi daha iyi anlamak için kuantum bilgisayarları kullanma fikri, onların başlangıç hikâyesinin bir parçası ve hatta Richard Feynman’ın 1981’deki bir konuşmasında da yer aldı. Doğayı simüle etmenin en iyi yolunu düşünerek şunları yazdı: “Bilgisayarın ne olduğu konusundaki kuralımızdan vazgeçebiliriz ve şunu söyleyebiliriz: Bilgisayarın kendisi kuantum mekanik yasalarına uyan kuantum mekaniksel öğelerden yapılmış olsun.”
Bugün Feynman’ın vizyonu Google, IBM ve daha onlarca şirket ve akademik ekip tarafından hayata geçirildi. Cihazları artık kuantum düzeyinde gerçekliği simüle etmek için kullanılıyor; işte bazı önemli noktalar.
Benim için bu yılın kuantum gelişmeleri, yüksek enerjili parçacık fiziğiyle ilgili Haziran ayında masama gelen iki çalışmayla başladı. İki ayrı araştırma ekibi, kuantum alanlarındaki parçacık çiftlerinin davranışlarını simüle etmek için çok farklı iki kuantum bilgisayarı kullanmıştı. Biri Google’ın mikrodalgalarla kontrol edilen küçük süper iletken devrelerden oluşan Sycamore çipini kullanıyordu, diğeri ise kuantum hesaplama şirketi QuEra tarafından lazerler ve elektromanyetik kuvvetlerle kontrol edilen son derece soğuk atomlara dayanan bir çip kullanıyordu.
Kuantum alanları, elektromanyetik kuvvet gibi bir kuvvetin, evrenin herhangi bir konumundaki bir parçacık üzerinde nasıl etki edeceğini kodlar. Ayrıca herhangi bir parçacığı yakınlaştırdığınızda görmeniz gereken davranışları belirleyen yerel yapılara da sahiptirler. Parçacık dinamiği durumunda bu tür alanların simüle edilmesi zordur; parçacık zaman içinde bir şeyler yaptığında ve siz onun filmine benzer bir şey yapmak istediğinizde. Parçacık fiziğinin standart modelinde ortaya çıkan kuantum alanlarının çok basitleştirilmiş iki versiyonu için, iki kuantum bilgisayar tam da bu görevi üstlendi.
Münih Üniversitesi’nden bu alanda çalışan ancak her iki deneyde de yer almayan Jad Halimeh, bana bu deneylerin daha güçlü bir versiyonunun, daha büyük kuantum bilgisayarlarda daha karmaşık alanları simüle ederek, sonuçta parçacıkların parçacık çarpıştırıcılarında ne yaptığını anlamamıza yardımcı olabileceğini söyledi.
Üç ay sonra, diğer iki araştırmacı ekibiyle telefonda konuşuyordum ve artık yoğun madde fiziğinin hizmetine sunulan aynı iki tür kuantum bilgisayarı yeniden tartışıyordum. Yoğun madde fiziği benim için çok değerli çünkü bu konuyu yüksek lisansta okudum, ancak etkisi bu köşe yazarının eğilimlerinin çok ötesine uzanıyor. Akıllı telefonlar gibi günlük cihazların temelini oluşturan yarı iletken teknolojilerinin geliştirilmesinde özellikle kritik öneme sahiptir.
Eylül ayında, Almanya’daki Harvard Üniversitesi ve Münih Teknik Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, teoride tahmin edilen ancak daha geleneksel deneylerden kaçan maddenin iki egzotik fazını simüle etmek için kuantum bilgisayarları kullandılar. Kuantum bilgisayarları, bu garip malzemelerin özelliklerini tahmin etme konusunda usta olduklarını kanıtladılar; bu, laboratuvarda kristallerin büyütülmesi ve incelenmesinin şu ana kadar başaramadığı bir şeydi.
Ekim ayı, Google’ın Willow adlı yeni süper iletken kuantum bilgisayarının pratik kullanım olasılığını getirdi. Firmanın araştırmacıları ve meslektaşları, biyokimyasal araştırmalarda molekülleri incelemek için yaygın olarak kullanılan bir teknik olan nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisinden elde edilen verileri yorumlamak için kullanılabilecek bir algoritmayı çalıştırmak için Willow’u kullandılar.
Ekibin gerçek NMR verileriyle yaptığı gösteri, geleneksel bir bilgisayarın yapamayacağı hiçbir şeyi yapmamış olsa da, algoritmanın matematiği, bir gün klasik makinelerin yeteneklerini aşarak araştırmacıların moleküller hakkında benzeri görülmemiş ayrıntıları öğrenmesine olanak tanıyacağını vaat ediyor. Bunun ne kadar hızlı sonuç vereceği, kuantum bilişim donanımının gelişme hızına bağlıdır.
Bir ay sonra üçüncü tür bir kuantum bilgisayar konuşmaya dahil oldu. Quantinuum adlı bir şirket, hapsolmuş iyonlardan yapılmış Helios-1 kuantum bilgisayarlarının, mükemmel elektriksel iletkenlik veya süperiletkenlik için matematiksel bir modelin simülasyonlarını çalıştırabildiğini gösterdi. Süperiletkenler elektriği herhangi bir kayıp olmadan ilettikleri için son derece verimli elektroniklerin kapısını açabilir, hatta elektrik şebekesini daha sürdürülebilir hale getirebilirler. Bununla birlikte, bilinen tüm süper iletkenler yalnızca yüksek basınç veya aşırı düşük sıcaklık altında çalışır ve bu da onları kullanışsız kılar. Bazı malzemelerin süperiletkenliğinin neden kullanışlı süperiletkenler oluşturmaya yönelik çok önemli bir basamak olabileceğini tam olarak ortaya koyan matematiksel bir model.
Helios-1, Quantinuum’da araştırmacı olan Henrik Dryer’in bana muhtemelen bu türden en önemli model olduğunu söylediği şeyi simüle etti; 1960’lardan beri fizikçilerin dikkatini çeken bir şey. Bu spesifik simülasyon süperiletkenliğe dair herhangi bir radikal yeni anlayış sunmasa da, kuantum bilgisayarların fizikçilerin onları daha iyi anlamak için uzun süredir devam eden arayışında değerli oyuncular olduğunu duyurdu.
Sadece bir hafta sonra kendimi kuantum algoritma firması Algorithmiq’ten Sabrina Maniscalco ile meta materyaller hakkında konuşurken buldum. Bunlar, mikroskobik ayrıntıları, doğal olarak oluşan malzemelerin sahip olmadığı özel özelliklere sahip olacak şekilde tasarlanabilen malzemelerdir. Ayrıca, ilkel görünmezlik pelerinlerinden reaksiyonları hızlandırabilecek kimyasal bileşenlere kadar bazı özel amaçlar için özel olarak da üretilebilirler.
Metamalzemeler aynı zamanda yüksek lisans öğrencisiyken de ilgilendiğim bir konuydu ve Maniscalco’nun ekibi süperiletken devrelerden yapılmış bir IBM kuantum bilgisayarını kullanarak metamalzemelerin nasıl simüle edileceğini buldu. Spesifik olarak, daha geleneksel bir bilgisayarın mücadele edebileceği rejimler de dahil olmak üzere, bir meta materyalin bilgileri nasıl karıştırdığını izleyebilirler. Bu oldukça soyut bir kurgu gibi görünse de Maniscalco bana kimyasal katalizörlerin yanı sıra katı hal pilleri ve ışığı elektriğe dönüştüren bazı cihazlara yönelik araştırmaları ilerletebileceğini söyledi.
Parçacık fiziği, maddenin yeni evreleri, moleküler araştırmalar, süperiletkenler ve metamalzemeler yeterli değilmiş gibi, bu köşeyi yazarken ABD’deki Maryland Üniversitesi ve Kanada’daki Waterloo Üniversitesi’nden bir araştırmacı ekibinin, güçlü nükleer kuvvetle bağlanan parçacıkların farklı sıcaklık ve yoğunluklarda nasıl davrandığını belirlemek için tuzaklanmış iyon kuantum bilgisayarı kullandığı bir çalışma hakkında bir ipucu aldım. Bu davranışların bir kısmının, çok az anlaşılan kozmik nesneler olan nötron yıldızlarının içinde meydana geldiği ve aynı zamanda erken evrende meydana geldiği düşünülmektedir.
Ekibin kuantum hesaplaması, güçlü kuvvetin en gerçekçi modelleriyle tam olarak eşleşmeyen yaklaşımlar içerse de, çalışma, kuantum bilgisayarların keşif makineleri olarak gelecek vaat ettiği başka bir fizik alanını da ortaya koyuyor.
Elbette bu örnek bolluğu beraberinde birçok uyarıyı ve soru işaretini de getiriyor. Kuantum donanımı üzerinde simüle edilen matematiksel modellerin çoğu, en gerçekçi olanlarla karşılaştırıldığında bir takım basitleştirmeler ve yaklaşımlar gerektirir; kuantum bilgisayarların çoğu, bu hataları azaltmak veya ortadan kaldırmak için hesaplamalarının sonuçlarının sonradan işlenmesini gerektirecek kadar hataya açıktır ve kuantum bilgisayarlarının sonuçlarını en iyi geleneksel bilgisayarların yapabilecekleriyle karşılaştırma sorunu hala çetrefilli olmaya devam etmektedir.
Basitçe söylemek gerekirse, geleneksel hesaplama ve simülasyon yöntemleri, ilerlemenin hızlı ve teşvik edici olduğu başka bir alandır; klasik ve kuantum bilgisayar araştırmacılarını, dünün en karmaşık veya en hızlı hesaplamasının kaçınılmaz olarak yarının ikincisi haline geldiği dinamik bir ileri geri hareketin içine yerleştirir. Geçtiğimiz ay IBM, halka açık bir “kuantum avantajı izleyiciyi” piyasaya sürmek için başka birkaç şirketle bile ortaklık kurdu; bu, eninde sonunda kuantum bilgisayarların geleneksel muadillerinin önüne geçip geçmediğini gösteren bir liderlik tablosu haline gelecek.
Ancak kuantum bilgisayarlar yakın gelecekte bu listenin en üstüne çıkmasa bile, geçen yılki raporlama önceliklerimi yine de heyecan ve beklentiye kaydırdı. Bunun nedeni, bu deneylerin, kuantum bilgisayarlarını, yalnızca birkaç yıl önce imkansız olan bir şekilde, bilimsel çalışmanın konusu olmaktan çıkarıp, bilim yapma araçları haline getirmesidir.
Bu yılın başında, çoğunlukla kuantum bilgisayarların herhangi bir yararlı sorunu çözmek yerine kuantum özelliklerini gösteren protokoller çalıştırdığı kıyaslama deneyleri hakkında yazmayı bekliyordum. Bu tür hesaplamalar genellikle kuantum bilgisayarların geleneksel bilgisayarlardan ne kadar farklı olduğunun altını çizmeye yarar ve onların radikal biçimde yeni şeyler yapma potansiyellerinin altını çizebilir. Ancak oradan çalışan bir fizikçi için yararlı bir hesaplamaya giden yol uzun görünüyordu ve hiç de açık değildi. Şimdi dikkatli de olsa o yolun beklediğimden kısa olabileceğini düşünüyorum. Eminim 2026’da beni daha çok kuantum sürprizleri bekleyecektir.
