John Martinis kuantum hesaplamada iki kez devrim yarattı. Şimdi, rakipsiz yeteneklere sahip makineler sunabilecek teknolojinin başka bir radikal yeniden düşünülmesi üzerinde çalışıyor.
John Martinis bir hırdavatçıdır. Ders kitaplarının idealize edilmiş dünyası yerine laboratuarda fizik yapmanın en ince detayına varmayı tercih ediyor. Ancak kuantum hesaplama tarihi kitaplarını onsuz yazamazdınız: O, alandaki en önemli iki anın merkezinde yer alıyordu. Ve bir sonrakini kovalamak için çok çalışıyor.
Her şey 1980’lerde Martinis ve meslektaşlarının kuantum etkileri hakkında bilinenlerin sınırlarını araştırmak için bir dizi deney yürütmesiyle başladı; bu çalışmayla Martinis geçen yıl Nobel ödülünü kazandı. Berkeley’deki Kaliforniya Üniversitesi’nde yüksek lisans öğrencisiyken, atom altı parçacıkların kuantum etkilerine maruz kaldığını biliyorduk ama soru, kuantum mekaniği dünyasının daha büyük ölçeklere yayılıp genişletilemeyeceğiydi.
Martinis ve meslektaşları, süper iletkenler ve yalıtkanların bir karışımından yapılmış devreler inşa edip incelediler; devre içindeki birçok yüklü parçacığın sanki tek bir kuantum parçacığı gibi davrandığı ortaya çıktı. Bu makroskobik kuantumdu ve şu anda IBM ve Google tarafından desteklenenler de dahil olmak üzere günümüzün en güçlü kuantum bilgisayarlarından bazılarının yapımının temelini attı. Aslında Martinis’in çalışması, teknoloji devlerinin süper iletken devrelerden yapılmış kuantum bitleri veya kübitleri (bugün dünyada en yaygın kullanılan kübitler) kullanma eğilimini harekete geçirdi.
Martinis alanı ikinci kez sarstığında, ilk kez “kuantum üstünlüğünü” başaran kuantum bilgisayarını yapan Google araştırmacılarından oluşan ekibin başına geçiyordu. Yaklaşık beş yıl boyunca, kuantum olsun veya olmasın, rastgele bir kuantum devresinin çıktısını doğrulayabilen dünyadaki tek bilgisayardı. Daha sonra klasik bilgisayarlar tarafından alt edildi.
Şimdi 70 yaşına girmek üzere olan Martinis, süper iletken kübitlerle tarihi bir zafere daha imza atabileceğini düşünüyor. 2024 yılında, bir kuantum bilgisayar şirketi olan QoLab’ın kurucu ortağı oldu ve kendisinin söylediğine göre bu alandaki herkesin peşinde olduğu şeyi yaratmaya yönelik radikal biçimde yeni bir yaklaşım benimseyecek: gerçek anlamda pratik kuantum bilgisayarları.
Karmela Padavic-Callaghan: Kariyerinizin başlarında gerçekten temel işler yaparak büyük ses getirdiniz. Deneyinizin yeni bir teknolojiye yol açabileceğini ne zaman anlamaya başladınız?
John Martinis: Makroskobik bir değişkenin kuantum mekaniğinden kaçıp kaçamayacağına dair bir soru vardı ve benim genç olmam ve kuantum mekaniğini yeni öğrenmem, bunun test etmemiz gereken bir şeymiş gibi görünmesini sağladı. Belki daha yaşlıysanız kuantum mekaniğinin işe yarayacağını varsaymışsınızdır. Ancak genç bir öğrenci olarak kuantum mekaniğinin temel testini yapmak fantastik bir deney gibi geliyordu.
Yaptığımız ilk şey, o günün teknolojisini kullanarak çok kaba ve hızlı bir deney hazırlamak oldu. Verileri aldığımızda deney tam bir başarısızlıkla sonuçlandı. Ama hızlı bir şekilde başarısız olmayı başardık, bu yüzden önemli değildi. Sonuçta mikrodalga mühendisliğini anlamanız gereken bir deneydi. Gürültüyü anlamanız gerekiyordu, yapmamız gereken birçok teknik şey vardı ama (başarı) bundan sonra oldukça hızlı bir şekilde gerçekleşti.
Bundan sonraki ilk 10 yıl bu deneyi yapıyor ve kuantum cihazları yapıyorduk. Daha sonra, kuantum hesaplama teorisi çok ilerledi, özellikle Shor algoritması (kriptografiyi kırmak için büyük sayıları hesaba katan), ardından kısa süre sonra hata düzeltme (algoritmalar) diyebilirim. Bu alan için sağlam bir temel sağladı. İnsanlar artık bir şeyler inşa etmeyi hayal edebiliyorlardı. Bu nedenle finansman sağlandı.
Finansman araştırmayı ve nihayetinde teknolojiyi nasıl değiştirdi?
1980’lerden bu yana işler gerçekten değişti. O zamanlar insanlar tek bir kuantum sisteminin düzgün bir şekilde yönetilip ölçülemeyeceğini bile test etmemişlerdi. Son 40 yılda işlerin nereye gittiği ilginç. Kuantum hesaplama çok büyük bir alana dönüştü! Tüm bunların en gurur verici yanı, bu süper iletken sistemlerin kuantum mekaniğini anlamak ve kuantum bilgisayarları yapmak için artık bu kadar çok fizikçinin görevlendirilmesidir.
Kuantum hesaplamanın ilk günlerinde sizin de bir yardımınız vardı. Bu, alanın şu anda nereye gittiğini anlamanıza nasıl yardımcı oluyor?
Tüm bu zaman boyunca alanın bir parçası olduğum için fiziğin temellerini anlıyorum. Santa Barbara’daki Kaliforniya Üniversitesi’ndeki grubumuzda (kuantum cihazları) için ilk mikrodalga elektroniğini ürettim ve ardından Google’da kendi kriyostatlarımı (süper iletken kuantum bilgisayarları, çalışmaları için ihtiyaç duydukları aşırı soğuk sıcaklıklara kadar soğuk tutan cihazlar) geliştirdim. Her elemanın imalatında yer aldım. Bence pek çok insan, eğer tüm bunları yaşamamışlarsa, ilerlemeye devam edeceğimiz konusunda iyimser olacaklardır. Bütün sorunların nerede olduğunu biliyorum. Çok karmaşık bir bilgi işlem sistemi oluşturmak istiyorsanız, bu tamamen sistem mühendisliğidir ve her şeyin temel fiziğini oldukça iyi anladığım için benim bir avantajım olduğunu düşünüyorum.
Kuantum bilgisayarları soğuk tutmak için kullanılan bir kriyostat
Kuantum bilgisayarların kullanışlı ve pratik olması için kuantum bilgi işlem donanımının nasıl değişmesi gerektiğini düşünüyorsunuz? Bir sonraki atılımın başlangıcı olarak hangi değişikliklere güveniyorsunuz?
Google’dan ayrıldıktan sonra kuantum bilgisayarını bütün bir sistem olarak düşündüm ve aslında inşa etmemiz ve daha iyi hale getirmemiz gereken şeyin tüm temellerini yeniden düşündüm. QoLab, kübitleri nasıl oluşturduğumuzda (üretim teknikleri açısından) ve her şeyi, özellikle de kablolamayı nasıl bir araya getirdiğimizde oldukça dramatik değişikliklerle buna dayanıyor.
Teknolojiyi güvenilir kılmak ve maliyeti düşürmek için kuantum bilgisayarlarını tamamen farklı bir şekilde oluşturmayı düşünmeniz gerektiğini fark ettik. İnsanların anlaması zor ve zordur. Şaşırtıcı miktarda geri itme ve şüphecilikle karşılaştık, ancak onlarca yıldır fizikle ilgili deneyimime göre bu, iyi bir fikrimiz olduğu anlamına geliyor.
Bazen gerçekten kullanışlı, hatasız bir kuantum bilgisayar yapmak için çok büyük sayıda, milyonlarca kübite ihtiyaç duyulacağını duyuyoruz. Oraya nasıl gidilir?
En büyük kesintiyi nerede yapmak istediğimize gelince, bu üretim ve özellikle de en zor kısım olan kuantum çiplerin imalatıdır. Herkesin ne yaptığına bakarsanız – Google, IBM, Amazon ve diğer birçok şirket – bilmiyorum 1950’lerden veya 60’lardan kalma üretim teknikleri kullanıyorlar. Bugünlerde bu yöntemlerle gerçek devreler kuran başka bir endüstri bilmiyorum. Dolayısıyla bizim görüşümüz şu: Bir milyon kübit oluşturmak ve onları güvenilir kılmak istiyorsanız başka bir şey yapmalısınız.
Bu cihazların yapım şeklini temelden nasıl değiştirebileceğimiz konusunda çok heyecanlıyız. Ve çipler için tüm kablolardan kurtulmaya yardımcı olabilecek bir mimariye sahibiz. (Süper iletken) kuantum bilgisayarların resmine bakarsanız, bunun sadece bir kablolar ve mikrodalga bileşenleri ormanı olduğunu görürsünüz. Bütün bunları bir çipin içine koymak ve bunu büyütebilmek istiyorum. Süper iletken kübitlerdeki en büyük sorun kablolama sorunudur ve biz bunu çözmeye çalışıyoruz.
Örneğin beş yıl içinde pratik bir kuantum bilgisayar yarışında açık bir kazanan olacağını düşünüyor musunuz?
İnsanların bir kuantum bilgisayarı oluşturmaya çalıştığı birçok farklı yol var ve sistem mühendisliği kısıtlamalarının çok zor olduğu göz önüne alındığında, bu soruna birçok farklı yoldan yaklaşmanın iyi olduğunu düşünüyorum. Pek çok farklı fikrin finanse edilmesinin iyi olduğunu düşünüyorum, çünkü o zaman insanların bir ilerleme kaydetme şansı daha yüksek olur. Ancak bu kısıtlamalar hakkında düşündüğümde ve bunların birçoğu var, genel olarak çoğu projenin maliyetleri yönetmek veya uygun ölçekte cihaz üretmek gibi bunları karşılamanın gerçekten ne gerektiği konusunda biraz saf olduğunu söyleyebilirim. Öte yandan, pek çok araştırma ekibinin, kamuya açıklanmayan bazı tasarım sorunlarının üstesinden gelmek için fikirleri olduğuna eminim.
Ve QoLab’ın iş planının biraz farklı, hatta belki de benzersiz olduğunu düşünüyorum, çünkü tüm uzmanlığa ihtiyacımız olduğunu hissettiğimiz için işbirliğini benimsiyoruz. Nasıl ölçekleneceğini ve karmaşık üretimin nasıl yapılacağını bilen donanım şirketleriyle çalışıyoruz.
Yarın birisi size çok büyük ve hatasız bir kuantum bilgisayar verseydi ilk deneyeceğiniz şey ne olurdu?
Kuantum kimyası ve kuantum malzemeleriyle ilgili problemleri çözmek için kuantum bilgisayarı kullanmakla gerçekten ilgileniyorum. Kimyada nükleer manyetik rezonans (NMR) deneylerine yardımcı olmak (daha yararlı bilgiler elde etmek) için bunun kullanımına ilişkin bazı yeni makaleler var ve bunu ilk uygulama olarak gerçekten seviyorum. Bu kuantum probleminin, kuantum mekaniğinin temel zorluklarından dolayı klasik bir süper bilgisayarda çözülmesi zordur. Ancak bu elbette temel olarak bir kuantum bilgisayarla çözülür; yalnızca bir kuantum problemini bir kuantum bilgisayarına eşlersiniz. Bu konuda heyecanlanabiliyorum, çünkü kısmen (bir cihazın) nasıl inşa edileceğine dair kesin fikirlere sahip olmayı seviyorum ve insanlar bunu yapmak için belirli algoritmalar geliştirmiş (NMR’yi geliştirmek gibi uygulamalar).
Pek çok insan, örneğin optimizasyon problemleri ve kuantum yapay zeka ile bir şeyler yapmayı düşünebilir. Benim için bu daha çok “dene ve işe yarayıp yaramadığını gör”. Malzeme uygulamalarının ve kimya uygulamalarının ardındaki teori çok daha kesindir. Kuantum bilgisayarın ne kadar büyük olması gerektiğini biliyoruz. Bu makine, hem boyut hem de uygulama hızı açısından inşa edebileceğimizi düşündüğüm bir şey.
Kuantum bilgisayarların potansiyel kullanımlarından bazıları 30 yıldan fazla bir süre önce matematiksel olarak belirlendi. Neden henüz gerçeğe dönüşmediler?
Bir kübitin davranışını soyutlayabilir ve bir kuantum bilgisayarının nasıl oluşturulacağını hayal edebilirsiniz ve bu harika çünkü o zaman bilgisayar bilimcilerinin, matematikçilerin ve teorisyenlerin bunun hakkında düşünmesini sağlayabilirsiniz. Ancak buradaki asıl sorun, gerçek kübitlerin gürültü kaynaklarına (harici kablolardan gelen ısı veya kübitin kendi malzemesindeki yabancı maddeler gibi) ve fiziksel problemlere sahip olmasıdır. Pek çok büyük kuantum hesaplama çalışması teorisyenler tarafından yürütülüyor ve bu iyi bir şey ama gerçek sistem çok daha karmaşık, tıpkı düzgün çalışabilecek donanımı oluşturmak için yapmanız gerekenler gibi.
(Lisansüstü danışmanım) John Clarke’ın grubunda gürültüyü anlamak konusunda eğitim aldım. Bu tür bir arka plan benim ve birlikte çalıştığım insanlar için gerçekten faydalıydı çünkü kübitleri bu kadar fiziksel bir şekilde düşünüyorduk, çipleri güvenilmez hale getiren fiziksel gürültü mekanizmalarından kurtulmaya çalışıyorduk. Kuantum üstünlüğü deneyinde olan da buydu; (gürültülerin bir kısmı şundan kaynaklanmaktadır) cihazınızda bu “iki seviyeli durumlara” sahipsiniz ve onları bir nevi onlardan kaçınmak için çalıştırıyorsunuz. Çalıştırabilirsin, ama bu gerçek bir baş ağrısıdır ve ölçeklendirmeyi zorlaştırır. Umudum odur ki (şimdi) bu etkiden kurtuluruz veya azaltırız. Bunu anlamak için kübit tasarımının detaylarına inmeniz gerekiyor.
Sorun şu ki, uygulamalar için hem donanıma hem de fikirlere sahip olmanız gerekiyor ve bence donanımı bu alanda çok daha iyi hale getirmemiz gerekiyor. Yani odaklandığım şey bu.
