Topolojik kuantum hesaplama uzun süredir güzel bir hayal olarak görülüyordu. İki önde gelen bilim insanı şimdi bunun 2030 yılına kadar var olup olmayacağı konusunda karşı karşıya geliyor.
Şubat ayında iki fizikçi Twitter’da bir bahse girdi. Louisiana State University’de profesör olan Jonathan Dowling ile Caltech’ten John Preskill, bundan 10 yıl sonra, fiziğin uzun zamandır süregelen bir hayali olan sözde topolojik kuantum bilgisayarın nihayet icat edilip edilmeyeceği üzerine bir pizza ve bir bira üzerine bahse girdiler.
Preskill “evet” dedi; Dowling “hayır”. Bahsi başlatan Dowling, “Preskill bu fikri hemen sevdi” diyor. “Bu konu üzerine bir süredir karşılıklı olarak tartışıyoruz.”
Anlaşmayı belgelemek için Dowling, şartları bir PowerPoint dosyasına, parşömen görünümlü bir arka plan üzerinde yazdı. Bahsin kesin koşulları, iki fizikçinin paylaştığı bir tweet içindeki bulanık bir görselde yer alıyor. (“Pikselleşme için Preskill’i suçluyorum,” diyor Dowling. “PDF olarak yeniden kaydetmiş.”) Bahsi 1 Mart 2030’da, gece yarısı, Koordineli Evrensel Zaman’a göre sonuçlandıracaklar.
Çoğu insan için bu bahsin konusu oldukça teknik görünebilir. Ancak uzmanlar arasında topolojik kuantum bilgisayarın inşası, onlarca yıldır süren bir “ay projesi” olmuştur; önce akademisyenler tarafından savunulmuş, daha sonra araştırmacıların bugün de geliştirmeye devam ettiği Microsoft tarafından sahiplenilmiştir. Preskill, “Bu o kadar güzel ve o kadar zarif ki,” diyor.
Gerçekten de “güzel” ve “zarif” kelimeleri, fizikçilerin topolojik kuantum hesaplamayı tanımlamak için en sık kullandıkları ifadelerdir. İlk olarak 1997’de Rus-Amerikalı fizikçi Alexei Kitaev tarafından önerilen topolojik kuantum bilgisayar, bilgiyi bir malzeme içinde bulunan ve “non-Abelian anyonlar” olarak bilinen elektron kümeleri halinde temsil eder. Teori, bu kümelerin malzeme içindeki hareketlerinin bir tür hafızasını koruduğunu ve bilgisayarın bilgiyi bu kümelerin nasıl yer değiştirdiği üzerinden kodlayabileceğini öngörür. Örneğin bir anyon çiftinde, bir 0, bir anyonun sağındakiyle yer değiştirmesiyle temsil edilebilirken, 1, sağdaki anyonun sola geçmesiyle temsil edilir.
Fizikçiler iki anyonun yer değiştirmesini saç örgüsü yapmaya benzetir. Bilgi, saçın fiziksel özelliklerinde değil, örgüde hangi telin üstte olduğunda temsil edilir. Bu şekilde kodlanan bilgi, geleneksel kuantum hesaplamaya kıyasla çok daha zor değiştirilebilir. Kuantum bitler, yani qubitler, Google ve IBM’in gürültülü kuantum makinelerinde kullanılan süperiletken devreler gibi fiziksel nesnelerin özelliklerine dayanan qubitlere kıyasla çok daha az hata yapmalıdır. Bu kuantum bilgisayarlar karmaşık algoritmaları çalıştırdığında, bir devre komşusunun özelliğini yanlışlıkla değiştirebilir ve bu da araştırmacıların nasıl düzelteceklerini tam olarak bilmedikleri hatalara yol açar. Topolojik kuantum bilgisayarlar bu tür hatalara karşı dirençli olacaktır.
Topolojik kuantum hesaplama, adını aldığı topoloji olarak bilinen geometri alanını kullanır. Topologlar, şekil değiştirmeye rağmen değişmeyen özellikleri inceler. Örneğin bir parça kili düşünün ve onu bir simit şekline getirin. Daha sonra bu simidi, hiçbir yeri koparmadan ya da yeniden birleştirmeden bir kahve fincanı şekline dönüştürebilirsiniz. Bu nedenle kahve fincanı ile simit topolojik olarak eşdeğerdir.
Aynı şekilde, bir topolojik qubit, topolojik olarak eşdeğer bir durumda kaldığı sürece içindeki bilgiyi koruyacaktır; bu da “bir qubit’i, bir simidin kahve fincanından ne kadar farklı olduğu kadar şekillendirebilirsiniz ve yine de çalışır,” diyor Dowling. Savunucular, böyle bir makinenin mevcut kuantum makinelerini etkileyen hesaplama hatalarından muzdarip olmayacağını söyler—tabii fizikçiler onu nasıl inşa edeceklerini bulabilirse.
Preskill, topolojik kuantum hesaplamayı 1997’de, Kitaev’in Moskova’dan ABD’ye ilk ziyareti sırasında öğrendi ve fikre hemen hayran kaldı. Daha önce araştırmacılar, kuantum hesaplama hatalarından kaçınmanın tek yolunun hataları düzelten ek bir yazılım algoritması uygulamak olduğunu düşünüyordu—ki bu algoritmalar hâlâ geliştirilmektedir. Kitaev, bugün Preskill’in Caltech’teki meslektaşıdır ve donanımın kendisi sayesinde, ek hata düzeltme koduna gerek kalmadan bilgisayarı hatalardan koruyan bir tasarım sundu. Onun makinesi, bilgiyi koruyarak esnetilebilen ve şekillendirilebilen qubitler kullanacaktı.
“Kitaev, donanım düzeyinde hataları düzeltmek için çok spesifik ve güzel bir fikir ortaya koydu,” diyor Preskill. “Bunun uzun vadede çözüm olacağını düşündüm.”
Ancak Dowling, bu fikrin destekçilerinin gerçeklikle yüzleşmesi gerektiğini düşünüyor. Preskill’den bahsederken, “O, güzel matematiğe çok kapılmış durumda,” diyor. Dowling, topolojik kuantum hesaplamayı, bir zamanlar tüm fizik yasalarını birleştirmeyi amaçlayan ancak deneysel olarak test edilememesi nedeniyle gözden düşen sicim teorisine benzetiyor.
“Evet, matematiksel olarak zarif olduğu için ona çekildiğimi kabul ediyorum,” diyor Preskill. “Bunda yanlış olan ne?”
İki fizikçi birbirlerini yirmi yılı aşkın süredir tanıyor ve her ikisi de daha uzun süredir kuantum hesaplama üzerine çalışıyor. Bugün Preskill, bir bakıma ABD’de kuantum hesaplamanın kamusal yüzü hâline gelmiştir. Sabırlı anlatımıyla, kuantum kavramlarını popüler basına ve risk sermayesi şirketlerindeki uzman olmayan kişilere sık sık açıklar. Bu rolü sayesinde, matematik yoğun bu alanı daha anlaşılır kılmak için çeşitli kavramlar üretmiştir. Diğer araştırmacılar da onun terimlerini benimsemiştir; örneğin mevcut kuantum bilgisayarların durumunu tanımlayan “NISQ” (gürültülü orta ölçekli kuantum) kavramı. Ayrıca, bir kuantum bilgisayarın klasik bir bilgisayarı aştığı durumları tanımlamak için tartışmalı “quantum supremacy” terimini de ortaya atmıştır. Google’ın kuantum ekibi bu terimi 2019’daki deneylerinde kullandı; ancak birçok kişi bu ifadeyi “white supremacy” çağrışımı nedeniyle rahatsız edici bulmaktadır.
“İnsanların bunu rahatsız edici bulmasına biraz şaşırdım,” diyor Preskill. “Ama şimdi neden böyle tepki verdiklerini anlıyorum.” Artık “quantum computational supremacy” ifadesini kullanmayı tercih ediyor.
Bu arada Dowling kendisini topluluğun bir “saçmalık dedektörü” olarak tanımlıyor. Belki de kuantum hesaplamanın alaycı amcası. Twitter’da fizik deneylerine dair iddiaları “evet”, “hayır”, “abartı”, “abartı değil” ya da bazen fizikçilerin en sert eleştirisi olan “yanlış bile değil” ifadeleriyle değerlendiriyor. Preskill, “Jon… nasıl söylemeliyim… oldukça açık sözlü biridir,” diyor. “Kuantum bilim hakkında söylenenleri sık sık eleştirir.”
Her ikisi de geçmişte bilimsel bahisler yapmıştır. Preskill’in en ünlü bahsi, merhum fizikçi Stephen Hawking ile kara deliklerin içine düşen bilginin geri elde edilip edilemeyeceği üzerinedir. (Preskill bu bahsi 2004’te kazandı; Hawking bilginin kaçabileceğini kabul etti.)
Dowling’in bahislerinin bazen farklı amaçları da vardır. “1999’da NSA’den biriyle, 10 yıl içinde onların kullanabileceği bir kuantum bilgisayar olacağına dair bahse girdim,” diyor. 2009 geldi ve geçti; Dowling bahsi kaybetti—ama amacına ulaştığını söylüyor. Bu bahis, kuantum hesaplama araştırmalarına ayrılan fonların artmasına yardımcı olmuş olabilir. “Bu kişinin yöneticileri ‘Kuantum bilgisayarlar ne zaman hazır olacak?’ diye sorduğunda, ‘Bazıları asla diyor, ama orduda çalışan bu çılgın biri 10 yıl diyor’ derdi,” diye hatırlıyor. Ona göre bu tür net tahminler rekabeti artırdı ve NSA’nın fonları bir yıl içinde üç katına çıktı. “Bahis istediğim şeyi yaptı,” diyor.
Bilim insanları uzun süredir problem çözmeyi teşvik etmek için bahisler kullanmıştır. 1600’lerde Johannes Kepler, hocası Tycho Brahe ile Mars’ın yörüngesini beş günde hesaplayabileceğine dair bahse girmiştir (kaybetti, ama beş yıl sonra çözdü). Günümüzde Long Now Foundation bu tür bahisleri kaydeden bir platform oluşturmuştur.
Dowling’in esprili yaklaşımının ötesinde, topolojik kuantum hesaplamaya yönelik şüphelerini destekleyen güçlü noktalar vardır. Öncelikle araştırmacılar, non-Abelian anyonları gerçekten üretip üretemeyeceklerini henüz kesin olarak gösterememiştir. Bu da bu bilgisayarın temel bileşeninin henüz üretilemediği anlamına gelir. Ayrıca bu yapıların bazı avantajları yalnızca mutlak sıfıra çok yakın, pratik olmayan sıcaklıklarda geçerlidir. Bu açıdan mevcut kuantum bilgisayarlardan çok da iyi değildirler.
Bu bahis, Dowling’in Microsoft’un ilerlemelerini abarttığını iddia ettiği bir Twitter tartışmasından doğdu. Microsoft, 2005’ten beri bu alanda çalışmaktadır ve bazı umut verici ama kesin olmayan sonuçlar sunmuştur.
Bir Microsoft temsilcisi röportajı reddetti, ancak şirket yetkilileri ilerlemeden memnun olduklarını ifade etti.
Dowling’e göre bu ilerleme ikna edici değildir: “Tüm kaynaklarını buna yatırdılar ve ortada somut bir sonuç yok,” diyor. “Her yıl büyük bir duyuruya çok yaklaştıklarını söylüyorlar, ama hiçbir şey olmuyor.”
Preskill ise bu sürecin beklenenden uzun sürdüğünü kabul ediyor, ancak aynı derecede karamsar değil:
“Gelecekte bir noktada topolojik kuantum bilgisayarların yapılacağından eminim, ancak zaman çizelgesi hâlâ çok belirsiz,” diyor.
Eğer Dowling kazanırsa New York usulü pizza ve Alman buğday birası isteyecek. Ancak sonucun kendisi için çok da önemli olmadığını söylüyor:
“Kaybetmekten mutlu olurum,” diyor. “Bu, birinin topolojik kuantum bilgisayar yapmayı başardığı anlamına gelir.”
Çeviri Kaynağı
- Bu metin, Sophia Chen’in 9 Mart 2020 yılında, WIRED Dergisinde, “Two Physicists Bet Over a Quantum Computing Moon Shot” adlı makalesinin türkçe çevirisidir.
