Kuantum bilgisayarlar ve kuantum üstünlük deneyleri

DR. MUSTAFA GÜNDOĞAN

Kuantum haberleşme ve hesaplama özellikle son yıllarda gündemde gittikçe daha çok yer almakta, devletler ve büyük şirketler tarafından bu alana büyük paralar aktarılmakta. Buradaki nihai amaç ise klasik bilgisayarlar ile gerçekleştirilmesinin çok zor hatta pratikte imkansız olan bazı problemleri çok daha hızlı bir şekilde çözmek olan kuantum bilgisayarlar geliştirmek.

Konu kuantum mekaniği gibi ilgi çeken fakat bir o kadar da anlaşılmayan kurallara dayandığı için maalesef spekülasyona da oldukça açık. Ve cevabı merak edilen sorular da çok: kuantum bilgisayarlar tam olarak ne işe yarayacak? Onun da ötesinde gerçekten yapılabilecek mi? Yapılabilecekse de ne zaman hayatımıza girecek? Bu yazıda bu sorulara basitçe cevap verip son yapılan deneylerden bahsedeceğiz.

Öncelikle hayır, kuantum bilgisayarlar evinizde daha hızlı film izlemek ya da şirketinizde lokal sunucular kurmak için dizayn edilmiyor. Kuantum fiziğinin süperpozisyon ve dolanıklık gibi temel ilkelerini kullanan bazı özel algoritmalarla, spesifik bazı problemler için geliştirilmeye çalışılıyor. Bunlardan ilki ve en kritiği matematikçi Peter Shor’un 1994 yılında geliştirdiği faktörizasyon (çarpanlara ayırma) algoritması. Bu alandaki ilk deneyler de 2000lerin başlarında 21 sayısını 3 ve 7 olan çarpanlarına ayrırarak başlamıştı. Bu problemin önemi ise günümüz şifreleme sistemlerinin çoğunun matematiksel olarak bu operasyonlara dayanması ile alakalı: Elinizde düzgün çalışan bir kuantum bilgisayarın olması demek geri kalan herkes için önemli güvenlik problemi demek. Çünkü klasik bilgisayarlarla kırılması milyonlarca yıl alabilecek bir şifreyi kuantum bilgisayarların yıldırım hızında kırması muhtemel. Bu yüzden kuantum hesaplama alanı çoğu ülke için ulusal güvenlik kapsamında stratejik bir araştırma alanı.

Peki bu cihazlar gerçek dünyada yapılabilecek mi yoksa gerçekçi birer bilimkurgu öğeleri olarak mı popüler kültürde hayatını devam ettirecek? Bu cihazların laboratuvar ortamında gerçekleştirilmesi için birçok engel var. Bunlardan ilki kuantum bilginin kodlandığı atomların ya da süperiletken devrelerin en ufak bir çevresel etkileşimle kuantum durumlarının bozulması. Bu yüzden çoğu sistem çok düşük sıcaklıklarda üstelik vakum içinde çalışmakta. Diğeri ise hesaplamada kullanılacak her bir kübitin (klasik hesaplamada sadece 0 ya da 1 değeri alabilen bitin aksine 0 ve 1 arasında herhangi bir değeri alabilen, en küçük kuantum bilgi birimi) tek tek çok yüksek hassasiyetle kontrol edilmesi şartı. Geçtiğimiz yıl haberlerde bolca duyduğumuz ve ilk defa kuantum üstünlüğe erişen Google’ın Sycamore isimli kuantum işlemcisi çok düşük sıcaklıklarda çalışan, 53 tane süperiletken kübitten oluşmaktaydı. Google bu cihazla klasik bir bilgisayarın 10 bin yılda tamamlayacağı bir işlemi 200 saniyede tamamladığını duyurmuştu. Bu işlem ise pratik dünyada pek bir işe yaramayan, bu 53 kübitin oluşturacağı olası farklı devre kombinasyonlarını örnekleyen bir işlemdi. Kısa zaman sonra IBM bu işlemin süperbilgisayarlar tarafından 10 bin yıl değil, sadece birkaç günde gerçekleştirebileceğini iddia ederek gösterilen kuantum avantajın çok çok yüksek olmadığını göstermeye çalıştı.

Tam bu noktada Çin’in geçtiğimiz haftalarda duyurduğu deneyinden bahsedebiliriz. Google, IBM ve diğer bazı büyük şirketlerin aksine Çin’deki deneyde atom ya da süperiletken devrelerden oluşan madde kübitleri yerine bambaşka bir sistem olan ışık temelli bir işlemci kullanıldı. Buradaki kübitler ise tek ışık parçacıklarına (fotonlar) kodlanmış çeşitli kuantum durumlar. Bu sistemin avantajı fotonlara kodlanan bu durumların sıcaklıktan ya da çevresel faktörlerden fazla etkilenmemesi nedeni (polarize güneş gözlüğünüzü düşünebilirsiniz; sıcak ya da soğuk havada çalışma şekli değişmiyor) ile özel soğutucu ya da vakum cihazlarına ihtiyaç duymaması. Burada çözdükleri problem ise Google’ın devre örneklemesine benzer: fotonlar karşılarına çıkan özel rotada ya da devrede nasıl hareket ediyor? Bu noktada ise 2011’de öne sürülen bozon örnekleme probleminin bir varvasyonu olan Gausyen bozon örnekleme problemini çözmek için dizayn edilen bu deneyde ise mümkün olan rota sayısı devreye giren fotonların sayısına göre üstel olarak artmakta. Yani 2 foton için 4 olan bu sayı 3 foton için 8, 4 için 16… olmakta. 50 foton (ve bir foton için iki tane polarizasyon durumu) ile yapılan bu deneyde oluşturulan muhtemel kuantum durum sayısı ise yaklaşık 10^30 (1 ve yanında otuz tane 0 – insan vücudundaki atom sayısından yaklaşık bin kat daha fazla). Yaklaşık 200 saniye içinde deneysel olarak yapılan bu hesabı ise dünyanın en güçlü süperbilgisayarı ile yaklaşık 600 milyon yıl süreceğini tahmin etmişler.

Bu yazıda bahsettiğimiz kuantum avantaj deneyleri aslında çok uzun sürecek bir yolculuğun sadece ilk adımları denebilir. Zira Shor algoritması gibi “işe yarayabilecek” problemler için gereken kübit miktarlarının milyonlar seviyesinde olduğu biliniyor. Şu anda 100 civarı olan bu sayının önümüzdeki yıllarda 1000 seviyesine çıkması beklenirken milyon mertebesine ulaşmak için birçok temel bilim ve mühendislik probleminin çözülmesi gerekiyor. Bilim insanları bu problem üzerine çalışırken, küçük ölçekli kuantum işlemcilerle neler yapılabileceği konusuna da kafa yormakta. Yolun sonunda, hayal edilen milyon kübitlik zirveye ulaşamayacak olsak bile matematik, fizik, bilgisayar bilimleri ve malzeme mühendisliği alanlarına büyük katkılar yapılacağı muhakkak gibi.