Dünyadaki yaşamı mümkün kılan kimyasal bir süreç olan nitrojen sabitlemede önemli bir rol oynayan bir molekülü anlamak, uzun süredir kuantum bilgisayarlar için bir sorun olarak düşünülüyordu, ancak artık klasik bir bilgisayar bunu çözmüş olabilir.
Kuantum bilgisayarlar tarımı büyük ölçüde geliştirmenin bir yolunu sunuyor mu?
Kuantum bilgisayarlar ilerlemeye devam ettikçe, dünyanın en iyi geleneksel bilgisayarlarından daha hızlı çözebilecekleri sorunları belirlemek giderek daha önemli hale geliyor; ancak kuantum savunucularının gelecek hedefi olarak öne sürdüğü önemli bir görevin kuantum bilgisayarına hiç ihtiyaç duymayabileceği ortaya çıktı.
Söz konusu görev, Dünya’da yaşamın mümkün kılınmasında hayati bir rol oynayan FeMoco adlı bir molekülü içeriyor. Bunun nedeni, mikropların atmosferik nitrojeni amonyağa dönüştürdüğü ve diğer canlı organizmaların çoğu için biyolojik olarak erişilebilir hale getirdiği nitrojen fiksasyonu sürecinin bir parçası olmasıdır. FeMoco’nun bu süreç sırasında tam olarak nasıl çalıştığı karmaşıktır ve tam olarak anlaşılmamıştır, ancak eğer onu çözebilir ve endüstriyel ölçekte kopyalayabilirsek, gübre üretiminde kullanılan enerjiyi büyük ölçüde azaltabilir ve potansiyel olarak mahsul veriminde artışa yol açabilir.
FeMoco’yu anlamanın önemli bir yönü, birçok elektronunun davranışını hesaba katmayı içeren en düşük veya “temel durum” enerjisini belirlemektir. Ancak elektronlar, dalga benzeri şekillerde davranabilen ve yörünge adı verilen birçok farklı bölgeyi işgal edebilen kuantum parçacıklarıdır. Pek çok yörüngede çok sayıda elektronun bulunduğu bu düzeydeki karmaşıklık, FeMoco’nun pek çok özelliğinin hesaplanmasının şimdiye kadar geleneksel bilgisayarlarla zor olmasının nedenidir.
Araştırmacılar yaklaşık yöntemleri kullanarak bir miktar başarı elde etti ancak enerji tahminlerinin doğruluğu sınırlı kaldı. Öte yandan, matematiksel araştırmalar, bu karmaşıklığı temelde farklı bir şekilde kodlayan kuantum bilgisayarların, sorunu yaklaşıklıklar olmadan çözebileceğini kesin bir şekilde kanıtladı; bu, kuantum avantajının köklü bir örneğidir.
Ancak şimdi Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü’nden Garnet Kin-Lic Chan ve meslektaşları, kuantum hesaplama yöntemiyle aynı doğruluğa ulaşabilen geleneksel bir hesaplama yöntemi buldular. Temel ölçüt “kimyasal doğruluk” fikri veya kimyasal süreçler için gerçekçi tahminler yapmak için gereken minimum doğruluk olmuştur. Chan ve meslektaşları, hesaplamalarına dayanarak, geleneksel süper bilgisayarların FeMoco’nun temel durum enerjisini de bu doğrulukta hesaplayabildiğini iddia ediyor.
FeMoco’nun her biri kendi enerjisine sahip olan birçok kuantum durumu vardır ve bunlar, temel durumu en altta olacak şekilde merdivene benzer bir şey üzerinde düzenlenmiştir. Bu alt basamağa ulaşmayı klasik bilgisayar algoritmalarına daha uygun hale getirmek için araştırmacılar, yakındaki basamaklarda bulunan durumlar hakkında bildiklerimize ve bu basamakların bir veya iki adım altında ne olabileceğine ilişkin özelliklerinin ne anlama geldiğine odaklandılar. Bu, örneğin elektronların kuantum durumlarının simetrileri hakkındaki bilgileri içeriyordu.
Sonuçta basitleştirme, araştırmacıların FeMoco’nun temel durum enerjisinin üst sınırlarını hesaplamak için klasik algoritmalar kullanmalarına, ardından bunları kimyasal doğrulukla eşleşen bir belirsizliğe sahip bir enerji değerine matematiksel olarak tahmin etmelerine olanak tanıdı. Başka bir deyişle, molekülün en düşük enerjisinin ne olabileceğine dair nihai cevapları, gelecekteki çalışmalarda kullanılabilecek kadar kesin olmalıdır.
Araştırmacılar ayrıca süper bilgisayar yönteminin kuantum yöntemlerinden bile daha hızlı olabileceğini, bir kuantum cihazında 8 saat sürecek hesaplamaları bir dakikadan daha kısa sürede gerçekleştirebileceğini tahmin ettiler; ancak bu tahmin ideal bir süper bilgisayar performansını varsayıyor.
Peki bu, yakında FeMoco’yu tarımı destekleyecek kadar iyi anlayacağımız anlamına mı geliyor? Tam olarak değil; örneğin molekülün hangi kısımlarının nitrojenle en fazla etkileşime girdiği veya nitrojen fiksasyonu sürecinde ara adımlar olarak hangi moleküllerin üretilebileceği hakkında hâlâ cevaplanmamış birçok soru var.
New York’taki Columbia Üniversitesi’nden David Reichmann şöyle söylüyor: “Çalışma bize FeMoco sistemi hakkında işlevi açısından pek bir şey anlatmıyor ancak kuantum avantajını gösteren bir model olarak kuantum yaklaşımları için çıtayı daha da yükseğe koyuyor” diyor.
Avustralya’nın Sidney kentindeki Macquarie Üniversitesi’nden Dominic Berry, ekibin çalışmasının klasik bilgisayarların FeMoco problemine saldırabildiğini göstermesine rağmen, bunların hala yalnızca yaklaşık tahminde bulunabildiğini, kuantum yöntemlerinin ise problemin tamamen çözülebileceğini garanti ettiğini belirtiyor.
“Bu, bunun gibi problemler için kuantum bilgisayarların kullanılması argümanına meydan okuyor, ancak daha karmaşık sistemler için, klasik yöntemlerin hesaplama süresinin kuantum algoritmalarına göre çok daha hızlı artması bekleniyor” diyor.
Diğer bir konu ise kuantum bilgisayarların hâlâ gelişme aşamasında olmasıdır. Mevcut kuantum bilgisayarların hepsi FeMoco’nun temel durum enerjisi gibi sorunların üstesinden gelemeyecek kadar küçük ve hataya açık, ancak kendi hatalarını düzeltebilen yeni nesil hataya dayanıklı kuantum bilgisayarların yakında çıkması bekleniyor. Berry, pratik açıdan FeMoco ve ilgili molekülleri anlamanın en iyi yolu olabileceğini söylüyor. “Kuantum hesaplama, bu sistemlerin çok daha genel olarak çözülmesini sağlamalı ve hataya dayanıklı kuantum bilgisayarları mevcut olduğunda bunu rutin bir hesaplama haline getirmelidir.”
