Google Sycamore Kuantum Bilgisayar

Google araştırmacıları ilk kez kuantum bilgisayar kullanarak, kimyasal bir reaksiyonu simüle etmeyi başardı. Reaksiyon oldukça basit olmasına rağmen, kuantum bilgisayarların pratik kullanımını kanıtlamak açısından, bu başarı büyük önem teşkil ediyor.
Atom ve moleküler sistemler kuantum mekaniğiyle işlediğinden, kuantum bilgisayarların daha hassas simülasyonlara imkan vermesi bekleniyor. Kuantum bilgisayarlarda kuantum bitleri yani kübitler sayesinde bilgi depolama ve hesaplama işlemleri yapılıyor. Buna rağmen, kuantum bilgisayarlarda büyük atomların veya kimyasal reaksiyonları hassas bir şekilde simüle etmek oldukça zor.

Google ekibi Sycamore’un kuantum bilgisayarını kullanarak, bir kimyasal reaksiyonun ilk doğru simülasyonunu gerçekleştirmeyi başardı. Sycamore 2019 yılında ilk kez klasik bir bilgisayarın yapması imkansız olan bir işlemi gerçekleştirerek, kuantum üstünlüğe ulaştı. İşte bilgisayarın son marifeti diazen molekününün simülasyonu oldu. Diazen 2 azot ve 2 hidrojen atomundan oluşuyor, gerçekleşen reaksiyonda hidrojen atomları, azot atomlarının etrafından farklı konfigürasyonlara giriyorlar. Oluşturulan kuantum simülasyonu, klasik bilgisayarlarla oluşturulan simülasyonlarla kontrol edilerek, onaylandı. Aslen bu reaksiyon kuantum bilgisayarında simülasyon yapmak için çok basit kalıyor ama kuantum bilgisayarlar için bu basamak oldukça önemli bir aşamanın parçasını barındırıyor.
Araştırmacıların raporuna sayfalarında yer veren “Nature” dergisindeki haberde, Sycamore adı verilen kuantum işlemcisinin en hızlı bilgisayarın dahi ancak 10 bin yılda sonuçlandırabileceği bir problemi 200 saniyede çözdüğü belirtildi. Böylece “kuantum üstünlüğü” adı verilen ve geleneksel bir bilgisayarın makul bir sürede çözemeyeceği karmaşık bir probleme işaret eden olgunun kanıtlanmış olduğu kaydedildi.
Bir bilgisayarda bulunan ve 0 ve 1’lerden oluşan en küçük veri birimleri “bit” olarak adlandırılırken, kuantum bilgisayarlarındaki “kübitler” kuantum mekaniğinin yasalarına göre bilgi depoluyor. Bir başka deyişle bu bilgisayarlar aynı anda birden fazla problemi çözebiliyor. Bu paradoks, teorik fizikte bugün dahi çetrefilli bir olgu olarak görülüyor.

IBM: Google’ın hesaplaması hatalı
Uzun süredir kuantum bilgisayarları üzerine araştırma yürüten bir başka Amerikan teknoloji şirketi IBM ise, Google’ın hesaplamasında bir hata bulunduğunu öne sürdü. Şirkete ait bir blogda yazan araştırmacılar, kuantum bilgisayarı tarafından çözülen problemin klasik bir bilgisayar tarafından iki buçuk günde çözülebileceğini belirtti.
Google’ın bu atılımı, teknoloji dünyası için önemli bir adım olsa da kuantum bilgisayarlarının gerektirdiği düşük sıcaklıklar ve vakum koşulları nedeniyle günlük kullanıma henüz uygun olmadığı belirtiliyor.

KUBİT NEDİR?
Kuantum bilgisayarlarla hayatımıza giren bir diğer kavram da kubit kavramı.
Klasik bilgisayarlar, 0 ve 1 sayılarını kullanarak işlem yapıyor ve verilerin saklanması da bu sayılarla gerçekleşiyor. İşte bu kullanılan her bir 0 ve 1 sayısına bit deniyor. Kubit ise kuantum ve bit kavramlarının birleşiminden oluşuyor. Yani kuantum bilgisayarlarının kullandığı bitlere kubit deniyor. Ve her bir kubit bir elektronla temsil ediliyor. Fakat klasik bilgisayarların çalışma sisteminden farklı olarak kuantum bilgisayarlarda bir kubit, hem 0 hem de 1 değerini alabiliyor. Normal bilgisayarlarda ise her bit sadece 0 veya 1 değerlerinden birini alabiliyor.
Şimdi gelelim işin ilginç bir diğer tarafına. Google’ın son açıkladığı süper bilgisayarının 53 kubit gücünde işlemci ile kuantum üstünlüğü eline geçirdiğini iddia etti. Peki rakibi IBM’in ulaştığı en yüksek seviye nedir? O da 53 kubit. Fakat Google araştırmacıları aynı işlemci gücüyle daha hızlı işlem yapabilmenin yolunu bulduklarını iddia ediyorlar.

Kuantum üstünlüğü nedir?
Kuantum üstünlüğü ilk olarak Kaliforniya Teknik Üniversitesi (CalTech) profesörlerinden John Preskill tarafından kullanıma sokulan bir ifade. Kuantum üstünlüğü, bir kuantum bilgisayarının klasik bilgisayarların pratik anlamda çözemeyeceği bir problemi çözdüğü anda elde edilmiş oluyor.
Google’ın ilan ettiği gibi bir problemin çözümüne 10 bin yılda ulaşılması aslında pratik anlamda çözülememesi demek. Bu nedenle böyle bir durumda kuantum üstünlüğünün elde edildiğini söylemek mümkün.
Fakat IBM’in söylediği gibi 2,5 gün alması halinde Google’ın bu unvanı yakaladığını söylemek teorik olarak mümkün değil. Yine de 200 saniye ile iki buçuk gün arasındaki muazzam fark teknoloji dünyası için çok önemli bir gelişme.
Bu da klasik bilgisayarlarla kuantum bilgisayarlar arasındaki farkın ne olduğu sorusunu getiriyor.

Kuantum bilgisayarı nasıl çalışır?
Kuantum bilgisayarın nasıl çalıştığına geçmeden önce klasik bilgisayarların çalışma prensibini hatırlamak faydalı olur.
Klasik bilgisayarlar bir devre üzerindeki elektrik akımını anahtarlar yardımıyla açarak ve kapatarak çalışır. Bu anahtarın kapalı ya da açık olması sayesinde oluşturulan sıfır ve birler bilgisayar kodlarının temellerini oluşturur. Kodlamanın bilgi taşıyan en küçük yapıtaşı olan bu sıfır ve birlere bit ismi veriliyor.
Sonuç olarak klasik bilgisayarlar elektriğin fiziksel kanunlarına bağlı olarak çalışıyor ve tüm işlemlerini bu 0 ve 1’ler üzerinden yani elektrik akımının geçip geçmemesi üzerinden yürütüyor.
Kuantum bilgisayarları ise elektrik akımına bağlı olarak çalışmıyor. Onun yerine elektron ve proton gibi atom altı parçacıkların fiziksel özelliklerine dayanan bir sistemle işliyor. Bu sayede klasik bilgisayarlardan çok daha küçük bir alandan ve çok daha büyük bir hızla çalışabiliyorlar.
Kuantum mekaniğinin geçerli olduğu bu sistemlerde klasik bilgisayarlardaki akımın varlığı ve yokluğu gibi kesin tanımlamalar yerine genlikler ele alınıyor çünkü bu maddeler aynı anda hem madde hem de dalga boyu olarak davranabildiği için tek fiziksel bir tanımlama kullanmak mümkün olmuyor. Ayrıca bu parçacıklar aynı anda birden fazla genliğe sahip olabilirken birbirleriyle bağlantılı ya da karşıt durumda da olabiliyorlar.
“Elektronlar doğru rotayı kendileri buluyor”
Klasik fizikçiler atom çeperinde dönen elektronların zamanla çekirdeğe yapışması gerektiğini söylerken Kuantum fizikçiler elektronun çekirdeğe yapışması için çok sayıda yol olmasına rağmen bunların birbirlerini iptal ettiğini savunuyor. Yani Austin Teksas Universitesi Bilgisayar Bilimcilerinden Scott Aaronson elektronların bir bilgisayar gibi diğer tüm olası yolları eleyerek doğru rotayı bulduğunu belirtiyor.
Aaronson bunu “Bir anlamda elektron kendi varoluşsal problemini kendi kendine çözmüş oluyor” sözleriyle ifade ediyor.
Bir kaos gibi görünen bu durum aslında kendi içindeki düzenle maddenin en temel taşlarını oluşturuyor. Kuantum bilgisayarları da bu kaos içindeki düzeni önceden belirlenen bir amaç için manipüle etmeyi hedefliyor. Bilim insanları kuantum bilgisayarını oluşturmak için kuantum hallerini etkileyebilecek donanım üretmeye çalışıyor. Aslında çalışmaların önemli bir kısmı en uygun donanımın nasıl bir şey olduğu üzerinde yapılıyor.
Normal bir bilgisayarda bir bit sadece iki halde olabiliyor, açık ya da kapalı yani bir veya sıfır. Öte yandan 1 kuantum bit, kısa adıyla ‘kubit’, aynı anda birden fazla durumda olabiliyor. Bu da tek bir kubit’in standart bir bitten çok daha fazla bilgi taşıyabileceği anlamına geliyor.
Kuantum bilgisayarının çok hızlı problem çözme yeteneği özellikle siber güvenlik alanında hem büyük fırsatlar hem de büyük riskler sunuyor. Öte yandan kimya ve ilaç endüstrisinde geliştirme süreçlerini çok hızlandırma potansiyeli de kuantum bilgisayarları ilgi çekici kılan bir diğer alan.

Google’ın açıklaması bir devrim mi?
Bu sorunun cevabı çok net olmamakla birlikte hem evet hem hayır.
Bir kuantum bilgisayarın çalışıyor olması ve problem çözmede kullanılabilmesi bir devrim niteliğinde. Fakat Sycamore pratik manada faydalı olabilecek kadar gelişmiş bir bilgisayar değil. Prototip olarak üretilen bu bilgisayar sadece bir teknolojik kanıt olma özelliği taşıyor. Sycamore sadece 54 kubitle çalışıyor. Genel amaçlı olarak kullanılabilecek bir makinenin ise 1 milyon kubite ihtiyacı olacağı belirtiliyor.
Öte yandan bilim insanları bunu modern havacılığın öncüsü olan Wright Kardeşler’in ilk uçuşuna benzetiyor. Wright kardeşler de ilk uçuş denemelerinde havada fazla kalamamıştı fakat insanlı bir aracın uçabileceğini ispatlayarak modern tarihin en büyük devrimlerinden birinin kapısını aralamıştı.
Bu açıdan ele alındığında Google’ın çalışan bir kuantum bilgisayar ortaya koyması devrim olarak nitelendirilebilir öte yandan eleştirenler Sycamore’un kuantum üstünlüğünü yakalamadan çok uzak olduğunu belirtiyor.