İlk makaleye şuradan ulaşabilirsiniz: Kuantum hesaplama: abartı mı gerçeklik mi?

Mühendislik alanındaki aşırı zorluklara temel prensiplerden bir bakış

Bununla birlikte, yatırım amacıyla bu şirketlerin tam bir analizi, finansal durumlarına, pazarlama/marka başarılarına, mevcut sözleşmelerine ve insan sermayelerinin kalitesine bakmayı gerektirir. Burada fizik konusuna odaklanıyorum çünkü en çok ilgimi çeken ve en çok bilgi sahibi olduğum konu bu. Bu yazıda yer alan hiçbir şey yatırım tavsiyesi olarak değerlendirilmemelidir.

Arka plan bilgisi (qubitler, dekoherans, kapılar vb. konulara aşina iseniz atlayın)

Kuantum bilgisayarlar, klasik bitlerin kuantum karşılığı olan kübitleri kullanarak hesaplamalar yapmak için kuantum mekaniği prensiplerinden yararlanır. 0 veya 1 olabilen klasik bitlerin aksine, kübitler durumların kuantum süperpozisyonunda bulunabilir.

Ancak, kübitler çevrelerine karşı son derece hassastır ve bu da onları dekoheransa yatkın hale getirir . Dekohereans, kübitlerin çevreleriyle etkileşime girmesi ve kübitin kuantum durumunu rastgele bir şekilde değiştirmesi durumunda meydana gelir.

Kuantum bitleri (qubitler) kendi başlarına pek bir şey yapamazlar. Birbirlerine dolanmaları gerekir. Dolanma, kuantum bitlerinin birbirine bağlanması ve bir kuantum bitinin durumunun, uzun mesafelerde bile diğerinin durumuyla doğrudan ilişkili olması olgusudur. Dolanık haldeyken, kuantum bitleri klasik bilgisayarlarda bulunan AND, OR ve NOR kapılarına benzer kapılar oluşturabilirler. Bazı kapılar kuantum bilgisayarlara özgüdür, örneğin kontrollü DEĞİL (CNOT) kapısı. Önemli bir ölçüt, %99,9’un üzerinde olması gereken kapı doğruluğudur . Kuantum bitleri kıt bir kaynak olduğundan, hesaplama sırasında sıklıkla yeniden kullanılmaları gerekir. Bu nedenle, bir kuantum biti bir AND kapısının parçası olarak kullanılabilir ve daha sonra bir OR kapısını uygulamak için kullanılabilir. Bu, kuantum bitlerinin harici girdilerle manipüle edilmesini gerektirir.

Dolayısıyla, kuantum bilgisayar inşa etmenin temel zorluğu, kuantum bitlerini çevreden izole ederken aynı zamanda bu bitleri şu amaçlarla manipüle edebilmek etrafında dönüyor: 1. bazı kuantum bitlerine başlangıç ​​verilerini yüklemek, 2. başlangıç ​​kapılarını uygulamak, 3. gerektiğinde farklı kapılar uygulayarak hesaplama sırasında kuantum bitlerini yeniden kullanmak ve 4. sonucu okumak.

IonQ – hapsedilmiş iyon kuantum bitleri

Bence halka açık üç kuantum bilişim girişiminden en umut vadedeni IonQ olabilir. Şirket, 2015 yılında Maryland Üniversitesi Ortak Kuantum Enstitüsü’nde Chris Monroe’nun grubu tarafından kuruldu. Yakın zamanda Maryland eyalet hükümetinden, Maryland Üniversitesi (UMD) yakınlarında bir “kuantum zeka kampüsü” inşa etmek için destek aldıklarını duyurdular. Bu kampüsü hayata geçirmek için bir milyar dolar toplamayı umuyorlar. Bu paranın nereden geleceği henüz tam olarak belli değil.

IonQ’nun kuantum bilgisayarı, elektrik ve manyetik alanlarla yerinde tutulan, pozitif yüklü iyonlardan oluşan doğrusal bir zincirden oluşmaktadır. Tarihsel olarak bunlar iterbiyum iyonlarıydı (atom numarası 70), ancak 2023 civarında daha hafif baryum iyonlarına (atom numarası 56) dönüştüler.

Zamana bağlı olarak kaç iyonu yakalamayı başardıklarına bakalım :

2016: 5
2017: 5-10
2018: 10-11 (?)
2019: 13-20
2020: 32
2021: 32
2022: 32
2023: 32-35 (IonQ Aria)
2024: 40 ( IonQ Forte )

Bir sonraki hedefleri, Tempo sistemlerinde 64-65 iyon. Ancak, iyon sayısının bu şekilde daha uzun süre artmaya devam etmesi şüpheli; bunun nedenini biraz sonra açıklayacağız. Öncelikle, iyon sayısının her sistemdeki kullanılabilir kübit sayısıyla aynı olmadığını açıklamak istiyorum. Bazı kübitler hata düzeltmesi için gereklidir ve bu da daha az sayıda algoritmik kübit (AQ) üretir. Ek olarak, IonQ’nun Forte sisteminde, iyonlardan biri hesaplama yerine optik hizalama amacıyla kullanılır. IonQ’nun pazarlama materyallerini dikkatlice okumak gerekiyor.

40 iyona sahip IonQ Forte’nin “35 kübite kadar kapasiteye” sahip olduğu söyleniyor . Bu, henüz 35 AQ’yu gerçekten gerçekleştirdikleri anlamına gelmez; bu sadece gerçekleştirilmiş veya gerçekleştirilmemiş olabilecek teorik bir maksimumdur. Gerçek AQ sayısı sistem gürültüsüne bağlıdır. IonQ’nun 32-35 iyonlu Aria sistemi 2022’de 20 AQ’ya ulaştı . Şu anda Aria sistemleriyle 25 AQ elde edebiliyorlar ve bunu bulut hizmetlerinde sunuyorlar.

IonQ’nun mevcut pazarlama materyallerinden bazıları , 40 iyonlu Forte’nin 36 AQ ürettiğini, bunun da Ocak 2024’te belirttikleri kapasiteden bir fazla olduğunu söylüyor. Tuzaklanmış iyon kuantum bilgisayarları üreten bir diğer özel şirket olan Quantinuum’a göre, IonQ’nun Mart 2024’te Forte ile elde ettiği AQ sayısı, o zamanlar 32 olduğunu reklam etmelerine rağmen, sadece yaklaşık dokuzdu. Gördüğüm daha yeni bir makale ise Forte’nin sadece on iki AQ’ya sahip olduğunu öne sürüyor. Eğer Forte’nin daha uzun iyon zinciriyle şimdiye kadar elde edilen AQ sayısı, Aria’nın daha küçük zinciriyle elde edilen sayıdan daha azsa, bu benim için bir uyarı işaretidir (bu konuda daha fazla bilginiz varsa, aşağıya yorum yapın).

Tahmin edebileceğiniz gibi, bu tuzakları oluşturmak kolay değil. Daha doğrusu, iyonları yakalamak oldukça kolay, ancak onları birbirine dolandırıp kuantum hesaplaması yapmak o kadar kolay değil. Her bir iyonu milikelvin sıcaklıklara soğutmak için lazerler kullanılması gerekiyor. Ardından, iyonları birbirine yaklaştırmak ve birbirine dolandırmak için hassas bir şekilde manipüle edilmiş elektromanyetik alanlar kullanılması gerekiyor. Enerji seviyelerini manipüle etmek için her bir iyona lazer darbeleri yönlendirilmelidir. Tuzaktaki manyetik alan son derece düzgün tutulmalıdır, çünkü en ufak bir sapma kuantum durumunu bozabilir. İyon zincirinin titreşimsel durumları kuantum hesaplamasında kullanılır, bu nedenle doğal olarak bu sistemler titreşime karşı çok hassastır. Sokakta geçen bir kamyonun gürültüsünün bile bu sistemleri bozabileceğini duydum.

Tek bir iyon tuzağı çipinin kurulumu ve kalibrasyonu altı ay sürebilir.Yine de bu yapıldı ve sadece iyonların soğuk tutulması gerektiğinden, büyük ölçekli bir soğutma cihazına ihtiyaç duyulmuyor (çipin geri kalanı oda sıcaklığında çalışabilir). Bahsettiğimiz gibi, burada gürültü bir sorun. İnşa edilen bazı iyon kapanı cihazlarına “gürültülü orta ölçekli kuantum” (NISQ) cihazları deniyor. NISQ cihazlarında çalıştırılabilecek algoritma sayısı büyük ölçüde azalıyor. Yine de, buradaki gürültü sorunlarının diğer yaklaşımlara göre o kadar büyük olmadığı söylenebilir. İyon kapanı kuantum bilgisayarları, saniyeler veya dakikalar kadar yüksek sürelere ulaşan son derece uzun tutarlılık süreleri sergileyebilir.

Bununla birlikte, iyon kapanlarının dezavantajı, yavaş kapı işlemidir. Kabaca söylemek gerekirse, bu kuantum bilgisayarlarının “saat hızı” büyük ölçüde azalır, çünkü bazı kapı işlemleri iyonların fiziksel olarak hareket ettirilmesini gerektirir. 2019 yılında, varsayımsal 20 milyon kübitlik süper iletken bir kuantum bilgisayarda, RSA şifrelemesini kırmak için 2048 bitlik bir tamsayıyı çarpanlarına ayırmanın yaklaşık sekiz saat süreceği tahmin edilmiştir . Öte yandan, iyon kapanlı bir kuantum bilgisayarda bu işlem 1.000 kat daha yavaş olurdu; 8.000 saat veya 333 gün sürerdi. Şu anda süper iletken yaklaşımlar iyon kapanlarıyla rekabet halinde olduğundan, bu durum yatırımcıları endişelendirebilir.

Kuantum hesaplama yaklaşımlarının tamamı, herhangi bir pratik uygulama için gerekli olan milyonlarca kübite ölçeklendirme söz konusu olduğunda ciddi sorunlarla karşı karşıyadır. On yıllardır fizikçiler, iyon tuzaklarının, süper iletken kübitlerin ve daha egzotik yaklaşımların ölçeklendirme potansiyelini tartışıyorlar. 2012’de bu alanda çalışırken, fizikçiler iyon tuzaklarının ölçeklendirme potansiyeli konusunda çok daha kötümserdi. Tartışmanın mevcut durumundan tam olarak haberdar değilim, ancak iyon tuzaklarının ölçeklendirme zorlukları oldukça önemli görünüyor.

İyon zinciri uzadıkça, kontrol edilmesi giderek zorlaşır. Fonon adı verilen kuantum titreşim modlarının sayısı, iyon sayısıyla birlikte artar. Daha fazla iyon eklendikçe, istenmeyen fononları sınırlamak zorlaşır, çünkü bir modu uyarmak için gereken en düşük enerji azalır. Bu, ilgili fiziğin temel bir unsurudur ve bundan kaçınmanın bir yolu yoktur. IonQ’nun oluşturduğu en uzun zincirin 40 iyondan oluştuğunu hatırlayın. IonQ’nun birçok açıdan önünde olan rakibi Quantinuum’un, en az 56 iyon gerektiren 56 kübitlik bir cihazı vardır. Neyse ki, gereken kontrol elektrotlarının sayısı, iyon sayısıyla yalnızca doğrusal olarak artar. Oluşturulabilecek zincirin uzunluğu için bir üst sınır yoktur, ancak genel olarak mühendislik zorlukları zincirin boyutu büyüdükçe doğrusal olmayan bir şekilde artar.

Bu iyonlar pozitif yüklü olduklarından, birbirinden ayrılmak isterler. 1 boyutlu bir zincirin uçlarına giderek daha fazla iyon eklendikçe, onları yerinde tutmak için aralarındaki mesafenin de giderek artması gerekir. Rigetti’nin pazarlama materyallerindeki resimlere (yukarıdaki resim gibi) bakarsanız, merkeze yakın iyonların daha yakın aralıklarla yerleştirildiğini, zincirin kenarına yakın iyonların ise daha uzak aralıklarla yerleştirilmesi gerektiğini göreceksiniz. Kabaca söylemek gerekirse, bir iyon zincirinin gerekli uzunluğu N^(4/3) ile orantılıdır. Araştırmacılar ayrıca iyonları 1 boyutlu bir zincir yerine 2 boyutlu bir ızgarada hapsetmenin mümkün olup olmadığını da inceliyorlar. 2 boyutlu bir ızgara için gerekli alan, N^(1/2) yerine N^(2/3) ile orantılıdır. Burada 2 boyutlu ızgaraların tamamen bir fantezi olduğunu, henüz kanıtlanmadığını belirtmek gerekir.

Hem Claude’a hem de GPT-4o’ya göre, 100’den fazla iyon içeren 1 boyutlu iyon tuzaklarına veya 10.000’den fazla iyon içeren 2 boyutlu ızgaralara sahip olmamız pek olası değil. Bu sınırlamaların üstesinden gelmek için IonQ, ayrı tuzaklarda bulunan iki kübitin kuantum fotonik ara bağlantı yoluyla birbirine dolanık hale getirilebileceğini öne sürdü . Ekim 2024 itibarıyla bu henüz gösterilmedi. IonQ’nun yol haritası, bunu 2025’te başaracaklarını söylüyor. Bunun ne kadar uygulanabilir olduğuna gelince, buradaki ayrıntılar oldukça karmaşık ve bu yüzeysel inceleme için tam olarak incelemeye vaktim yok, bu yüzden gerçekten bir şey söyleyemem. Ancak sezgilerim bana bunun onlar için son derece zorlu olacağını söylüyor. Daha sonra tartışacağım gibi, kuantum düzeyinde fotonik cihazlar henüz minyatürleştirilmedi. Dahası, tahminimce bir çipten diğerine tek bir kübit bağlamak yeterli olmayacak; birden fazla kübiti, hatta kübitlerin çoğunu bağlamanız gerekecek. Bununla birlikte, sağlam bir bağlantı elde edilirse, iyon tuzakları diğer yaklaşımlara kıyasla açık ara önde gelen bir yöntem olabilir.

Rigetti Computing – süperiletken kübitler

Rigetti Computing, 2013 yılında IBM fizikçisi Chad Rigetti tarafından kuruldu ve merkezi güneşli Berkeley, Kaliforniya’da bulunmaktadır. IBM gibi Rigetti de süperiletken bir yaklaşım izliyor. Süperiletken kuantum bitleri birçok biçimde gelir, ancak araştırmacılar en umut verici yaklaşım olarak “transmon kuantum bitleri” üzerinde karar kıldılar ve hem IBM hem de Rigetti şu anda bunu kullanıyor. Süperiletkenlerde, elektronlar Cooper çiftleri halinde kümelenir ve bu, herhangi bir dirençle karşılaşmadan bir malzemenin kristal kafesinden geçmelerini sağlar. Elektronların bir süperiletken içindeki hareketi (akım akışı) Schrödinger denklemi ile tanımlanabilir. Dolayısıyla, bir süperiletken, fizikte nadir görülen ve çok düşük sıcaklıklar gerektiren, iyi tanımlanmış makroskopik bir dalga fonksiyonu ile karakterize edilir.

İki süperiletken ince bir yalıtım bariyeriyle ayrılırsa, Cooper çiftleri klasik olarak bunu yapacak kadar enerjiye sahip olmasalar bile bariyerden tünelleyebilirler. Şimdi, iki farklı süperiletkendeki makroskopik dalga fonksiyonlarının fazı farklı olacaktır. Sonuç olarak, sisteme uygulanan elektrik potansiyeli statik ve değişmez olsa bile, bariyeri geçen Cooper çiftlerinin akımı zamana bağlı olarak salınım yapar. Bu olaya Josephson etkisi denir ve sistemin tamamına Josephson eklemi adı verilir. Dikkat çekici bir şekilde, Josephson etkisiyle oluşan salınım yapan akım enerji dağıtmaz. Şimdi, eklemin her iki tarafına bir “şönt” kapasitör bağlanırsa, “iletim hattı şöntlü plazma salınımı” veya transmon olarak bilinen kuantum mekanik bir devre elde edilir.

Kuantum mekanik olduğu için, bu devredeki salınımların ayrık enerji seviyeleri vardır. Mikrodalga frekanslı AC darbeleri uygulanırsa, transmonun salınım enerjisi artırılabilir. Josephson etkisinin doğrusal olmayan özellikleri nedeniyle, transmonun enerji seviyeleri eşit olmayan aralıklarla yerleştirilmiştir; bu da kontrol amaçları için çok kullanışlı bir özelliktir. Transmonun enerji seviyelerinin düzensiz aralıklı olması, transmonu hedef enerji seviyesinden çok daha yüksek bir enerji seviyesine yanlışlıkla uyarmayı zorlaştırır. Kuantum hesaplamada, bu transmon devrelerinin her biri bir kübiti oluşturur. Transmon kübitleri, kapasitif bağlantı, mikrodalga rezonatörleri veya çeşitli diğer yaklaşımlar kullanılarak birbirine dolanır.

Bu kuantum bilgisayarlarda iki farklı süper iletken malzeme kullanılıyor: kübitler alüminyum tellerden, onları birbirine bağlayan süper iletken kablolar ise niyobyumdan yapılıyor. Alüminyumun süper iletken hale gelmesi için 1,2 Kelvin’e kadar soğutulması gerekirken, niyobyum 9,2 Kelvin sıcaklığa ihtiyaç duyuyor. Bununla birlikte, termal enerjiyi transmonun seviye aralığının altına düşürmek ve hızlı dekoheransı önlemek için bu devrelerin çok daha düşük bir sıcaklığa, 0,02 Kelvin’e (2 miliKelvin) kadar soğutulması gerekiyor. İlgili fizik tarafından kesinlikle gerekli olan bu ultra soğuk sıcaklık gereksinimi, bu yaklaşımın en büyük zorluklarından biridir. Seyreltme soğutucuları olarak bilinen büyük ve karmaşık soğutma sistemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Oxford Instruments’ın Nanobilim bölümü, Rigetti için bu soğutucuları üretmektedir.

Önceki bölümde ele aldığımız iyon tuzaklarına benzer şekilde, süperiletken kuantum sistemleri de çok hassastır ve titreşimlere ve başıboş elektromanyetik alanlara duyarlıdır. (Her ikisi de sorunlara neden olabilir, ancak buradaki asıl sorun titreşim değil, başıboş elektromanyetik alanlardır.) Bu nedenle, seyreltme soğutucusu bir kafese asılmalı ve dış ortamdan izole edilmelidir:

Rigetti’nin en yeni “Ankaa” sistemi 84 kübite sahip ve 56 ile 72 nanosaniye arasında değişen kapı sürelerine ve %99,0 ile %99,5 arasında değişen kapı doğruluk oranlarına sahip. Rigetti’nin kapıları IBM’inkilerden önemli ölçüde daha hızlı, ancak doğruluk oranları daha düşük. IBM’in sistemleri ayrıca daha fazla kübite sahip. Olivier Ezratty tarafından Mart 2023’te derlenen bu grafik , o zamanki durumu özetliyor. O zamanlar hem IBM’in hem de Google’ın sistemleri açıkça üstün durumdaydı. Çevrimiçi yorumlara göre, bu durum hala geçerli.

Kuantum Hesaplama A.Ş. – fotonik kübitler

Quantum Computing Inc.’in oldukça ilginç bir geçmişi var. Kısa olması için, şirket adını hisse senedi kodu olan QUBT olarak anacağım. QUBT, başlangıçta 25 Temmuz 2001’de Nevada’da, çevrimiçi mürekkep püskürtmeli kartuş satışına odaklanan Ticketcart, Inc. olarak kuruldu. 2007’de Innovative Beverage Group, Inc.’i satın aldılar ve daha sonra adlarını Innovative Beverage Group Holdings, Inc. (IBGH) olarak değiştirdiler. Bu şirket 2008’de halka arz edildi. IBGH, 2017-2018 yıllarında faaliyetlerini durdurdu ve kayyum yönetimine girdi. Şubat 2018’de QUBT oldu. Bu dönüşüm, başarısız bir şirketin kabuğunun, geleneksel İlk Halka Arz (IPO) prosedürlerinden geçmek zorunda kalmadan, halka açık bir kuantum bilgisayar şirketi oluşturmak için kullanılmasıyla gerçekleşti.

Bu süreç çok şüpheli görünüyor, ancak günümüzde aslında o kadar da alışılmadık değil ve bu nedenle kendi başına büyük bir endişe kaynağı değil. Fizik konusuna geçmeden önce, bu şirketle ilgili birkaç noktayı belirtmeliyim çünkü bunlar herhangi bir yatırımcı için alarm zilleri çalmalı. Birincisi, yakın zamanda NASA ile yaptıkları sözleşmenin değeri sadece 26.000 dolardı . İkincisi, şirket Arizona’da “periyodik olarak kutuplanmış lityum niobat bazlı doğrusal olmayan optik cihazlar” üretmek için bir “üretim dökümhanesi” olduğunu iddia ediyor. Iceberg Research tarafından yapılan bir araştırma, bu iddianın meşruiyeti konusunda birçok şüphe uyandırdı.

Neyse, QUBT’nin şimdiye kadar ele alınan diğer iki şirkete kıyasla tamamen farklı bir yaklaşımı var. Yaklaşımları, fotonik adı verilen bir alan olan fotonların kontrolü ve manipülasyonuna dayanıyor. Sistemlerinin nasıl çalıştığına dair kesin ayrıntılar belirsiz ve yayınladıkları materyalleri anlamak zor, ancak genel olarak ne yapmaya çalıştıklarından bahsedebilirim.

Kuantum bitleri (qubitler) fotonlarla birkaç farklı şekilde gerçekleştirilebilir. Bir kuantum bitinin iki durumlu bir kuantum mekanik sistemi olduğunu hatırlayın. Bir “polarizasyon kuantum bitinde”, bir foton yatay veya dikey polarizasyonun süperpozisyonuna yerleştirilir. Bir “fotonik yol kuantum bitinde”, bir foton iki farklı yolun süperpozisyonuna yerleştirilir. Ayrıca daha esoterik yaklaşımlar da var. QUBT’nin bu yaklaşımlardan hangisini kullandığı net değil. Bu konuda GPT-4o’dan yardım istedim ve internette arama yaptıktan sonra kuantum bitlerinin kesin doğasının açıklanmadığını söyledi.

Fotonik kuantum bilgisayarlar oda sıcaklığında çalışabilir. Ayrıca, dekoherans sorunundan daha az etkilenebilirler. Boşlukta uçan iki foton, (aşırı yüksek enerjiler hariç) etkileşime girmeden birbirlerinin içinden geçebilir. Bu harika görünüyor. Bununla birlikte, bu fotonların durumunu kontrol etmeye ve optik cihazlar kullanarak onları birbirine dolandırmaya çalışırken zorluklarla karşılaşılır. Fotonların optik cihazlarla (kristaller, cam vb.) etkileşimi, kuantum durumlarının dekoheransına neden olabilir.

Kuantum mekaniğinde ölçüm, genellikle bir dalga fonksiyonunu tamamen çökerten ve herhangi bir kuantum süperpozisyonunu yok eden bir süreç olarak tanımlanır. Bu nedenle, kuantum hesaplamada ölçüm normalde yalnızca hesaplamanın en sonunda, sonucu elde etmek için yapılır. Bununla birlikte, bir dalga fonksiyonunu yalnızca kısmen çökerten veya neredeyse hiç bozmayan zayıf ölçümler yapmak da mümkündür.

Tekrarlanan zayıf ölçümler yaparak, bir dalga fonksiyonu “dondurulabilir” ve istenmeyen yönlerde evrimleşmesi önlenebilir. Buna kuantum Zeno etkisi denir . QUBT, bu etkiyi dekoheransı dengelemek için kullandığını iddia ediyor. Dekohereans genellikle oldukça rastgele bir süreç olduğundan, bu iddiaya biraz şüpheyle yaklaşıyorum.

Şunu da belirtmekte fayda var ki, zayıf ölçüm gerçek bir şey olmasına rağmen, yeterince anlaşılmamıştır. 2011 yılında bir sınıf projesi kapsamında bu konu üzerinde biraz araştırma yaptım. O zamanlar konu tartışmalıydı ve konuştuğum bazı fizikçiler kavramın kendisinin kafa karıştırıcı olduğunu ve/veya iddia edilen fenomenlerin gerçek olmadığını savundular. Zayıf ölçüm ve kuantum Zeno etkisi fenomenlerinin her ikisi de artık daha yerleşik ve kabul görmüş görünüyor, ancak bunların nasıl anlaşılması gerektiği konusunda hala devam eden bir tartışma olduğunu düşünüyorum.

Fotonik kuantum bilgisayarlarda dekoherans kontrol altına alınsa bile, fotonlar optik cihazlardan geçerken emilebilir. Açıkçası bu iyi bir şey değil. Bu kuantum bilgisayarlarda fotonların rastgele kaybı pratikte kaçınılmazdır, ancak bununla başa çıkılabilir. Bunu yapmak için çok büyük miktarda hata düzeltme kübitine ihtiyaç duyulur.

Son olarak, fotonik kuantum bilgisayarların ölçeklenebilirlik potansiyelini ele alalım. Şu anki durum şöyle:

Burada gördüğünüz şey, bir odanın büyük bir bölümünü kaplayan optik bir masa üzerinde duran çok sayıda lazer, ışın ayırıcı, polarizör, ayna ve diğer optik cihazlardır. Diğer kuantum bilgisayarlarında olduğu gibi, fotonik kuantum bilgisayarlar da titreşimlere karşı son derece hassastır, bu nedenle optik masa titreşimleri azaltmak için sıkıştırılmış hava üzerinde yüzer. Resimdeki sistemin kaç kübite sahip olduğu belirtilmiyor, ancak tahminimce en fazla yirmi kübittir ve bu da sadece birkaç AQ üretir. Bununla birlikte, cömert davranalım ve böyle bir optik masadan 100 fiziksel kübit elde edebileceğinizi varsayalım. Kullanışlı bir kuantum bilgisayar için en az 1.000.000 AQ’ya ihtiyaç duyulduğunu hatırlayalım. Hata düzeltme kübitlerinin AQ’lara oranının 100.000’e 1 olduğunu varsayalım (bu oran 250.000:1’e kadar çıkabilir, ancak burada cömert davranacağız). O zaman 1.000.000 * 100.000 / 100 = 1.000.000.000 optik tabloya ihtiyacınız olurdu. Bu çok fazla! Ancak durum aslında bundan daha da kötü.

Gerekli optik cihaz sayısının algoritmik kübit sayısıyla doğrusal olarak arttığını varsaydık. Bununla birlikte, kübitlerin kullanışlı olması için aralarında yüksek yoğunlukta dolanıklık gerektiğinden, gerekli cihaz sayısı doğrusalın ötesinde artar. GPT-4o’ya göre, kullanışlı bir fotonik kuantum bilgisayar için gerekli optik cihaz sayısı, kübit sayısıyla karesel olarak (kabaca N^2 olarak) artar. Yani, 1.000.000 AQ elde etmek için yaklaşık 1.000.000.000^2 veya 1.000.000.000.000.000.000 optik tablo değerinde optik cihaza ihtiyacınız olurdu. Elbette, kuantum hata düzeltmesindeki daha ileri gelişmeler bu sayıyı biraz düşürebilir, ancak kuantum hata düzeltmesinden tamamen kurtulabilsek bile, yine de (1.000.000/100)^2 = 100.000.000 ekipman tablosundan bahsediyor olacağız. (GPT-4o bu analizin doğru olduğunu düşünüyor, ancak bir hata görürseniz lütfen aşağıya yorum yapın).

“Pekala,” diyebilirsiniz, “ama elbette tüm bunlar da tıpkı devreleri, radyoları, lazerleri vb. nasıl küçültmeyi öğrendiğimiz gibi küçültülecektir.” 256 adet H100 GPU içeren ve küçük bir veri merkezine sığabilen bu DGX süper kapsülünü düşünün:

Her GPU’da 80 milyar transistör bulunur. Yani burada en az 20,48 trilyon transistör (20.480.000.000.000) var. Bu, küçük bir alanda gerçekten çok büyük sayıda elektrikli cihaz anlamına geliyor.

Silikon teknolojisiyle, bileşen yoğunluğu zaman içinde üstel olarak artıyor – bu, Moore yasasının işleyişidir. Ancak, bu optik tezgahları silikon tabanlı elektroniklerle karşılaştırmak, elma ile portakalı karşılaştırmak gibidir. Acı gerçek şu ki, ihtiyaç duyulan optik cihazların çoğunu nasıl minyatürleştireceğimiz konusunda hiçbir fikrimiz yok. Fotonik kuantum bilgisayarlar, mühendislik yeteneklerimizin en uç noktasında, ultra yüksek seviye cihazlar gerektirir. Bu cihazlar, tasarımlarını on yıllarca geliştirmiş uzman satıcılardan geliyor. Her lazerin süper yüksek hassasiyete sahip olması, sıfır frekans veya mod kayması olması ve neredeyse mükemmel güvenilirlikle talep üzerine tek tek fotonlar üretebilmesi gerekir. Aynaların neredeyse sıfır emilimle mükemmel düzlemsel olması gerekir.

Elektro-optik modülatörlerin, optik fiberlerin ve ışın ayırıcıların da son derece düşük soğurma ve saçılma kesitlerine sahip olması gerekiyor. Ardından, tüm cihazların son derece hassas bir şekilde yerleştirilmesi ve hizalanması gerekiyor. Fotonik kuantum hesaplama alanında yüksek lisans yapan herhangi bir öğrencinin de doğrulayabileceği gibi, bu tablolardan birinin hizalanması ve kalibrasyonu haftalar veya aylar sürebilir. Dolayısıyla, teoride bunların çoğu minyatürleştirilebilir olsa da, bana göre bundan çok uzağız. Belki de süper zeki yapay zeka bize bunu nasıl yapacağımızı öğretebilir.

İyon tuzakları, süper iletkenler ve fotonik için ölçütlerin karşılaştırılması

Hata düzeltme kübitlerinin algoritmik kübitlere oranı

Bu oran, AQ sayısıyla sabit değildir; gereken hata düzeltme kübitlerinin sayısı doğrusal olmayan bir şekilde artar. Gereken kesin oran, çalıştırılan algoritmaya bağlı olarak da değişir. Bu konuda bir süre Google’da arama yaptım ve GPT-4o ile görüştüm ve işte kullanışlı bir kuantum bilgisayar için muhtemelen gerekli olacak oran için bazı kaba aralıklar:

Tuzaklanmış iyonlu kuantum bilgisayar: 10 – 1.000
Süperiletken kuantum bilgisayar : 400 – 10.000
Fotonik kuantum bilgisayar: 1.000 – 500.000

Şimdiye kadarki en iyi iki kübitlik geçit doğrulukları

Scott Aaronson, bunun en önemli ölçüt olduğunu söylüyor. Scott, kullanışlı bir makineye ulaşmak için alt sınırın %99,9 olduğunu belirtiyor. Kuantum teknolojisinin heyecan verici yanlarından biri de, birçok şirketin bu eşiğin hemen yakınında olması veya bazı deneylerde bu eşiği aşmış olmasıdır. Bu rakamların tamamı , çevrimiçi en güncel kaynaklardan biri gibi görünen Wikipedia’dan alınmıştır . Tuzaklanmış iyon kuantum bilgisayar: 99,87 (Quantinuum), 99,3 (IonQ) Süperiletken kuantum bilgisayar : 99,897 (IBM), 99,67 (Google), 94,7 (Rigetti) Fotonik kuantum bilgisayar: 93,8 (Quandela)

Şimdiye kadarki en iyi kuantum hacmi

Kuantum hacmi, kuantum bitlerinin birbirine dolanıklık derecesini hesaba kattığı için “kuantum bit sayısı”na kıyasla çok daha üstün bir ölçüttür.

Tuzaklanmış iyon kuantum bilgisayar: ~2^20 ( Quantinuum )
Süperiletken kuantum bilgisayar : 2^9 ( IBM )
Fotonik kuantum bilgisayar: ? (muhtemelen < 2^9)

Kuantum bilgisayarlar için de bir “Moore yasası” yok mu?

Birçok insan kuantum hesaplama için bir ” Moore yasası ” olduğuna inanıyor. Örneğin, bazıları kübit sayısının zamanla üstel olarak arttığını ve artmaya devam edeceğini düşünüyor. Ancak, CPU’lar için Moore yasasının gerçekleşmesi için, ilerlemeyi sürdürmek için üstel olarak artan yatırım seviyeleri gerekiyordu ( bunu 2015’te yazmıştım ). Bu, CPU’ların genel amaçlı olması ve zamanla yeni uygulamaların ortaya çıkması nedeniyle gerçekleşti. Yeni uygulamalar daha fazla işlem gücüyle kullanılabilir hale geldiğinden, genel amaçlı işlem gücüne olan talep esasen sonsuzdur. Kuantum bilgisayarlar genel amaçlı değildir; yalnızca bir büyük kanıtlanmış uygulamaya (şifre çözme) ve birkaç oldukça şüpheli niş uygulamaya sahiptirler. Son on yılda, büyük hükümetler ve endüstri kuantum hesaplamaya milyonlarca dolar yatırım yaptı. Yakında çok az veya hiç sonuç alınmazsa, bu fonlama, 1980’lerdeki “yapay zeka kışında” olduğu gibi kolayca kuruyabilir.

Peki ya D-Wave?

D-Wave Quantum Systems, Inc. 1999 yılında kurulmuştur. Adını d-dalga süperiletkenlerinden almaktadır. Kendilerini “Kuantum Bilgisayar Şirketi” (TM) olarak adlandırsalar da, aslında kuantum bilgisayar üretmiyorlar. Sinir ağlarını optimize etmek gibi optimizasyon problemlerini hızlandırmaya yardımcı olabileceğini iddia ettikleri kuantum tavlama cihazları üretiyorlar. Cihazlarının geleneksel bilgisayar donanımına kıyasla herhangi bir fayda sağladığına dair hiçbir kanıt yok. Cihazlarının pratik bir faydası olmamasına rağmen, pazarlamada ve insanları cihazlarını satın almaya ikna etmede son derece yetenekliler. Bu pazarlama en iyi ihtimalle yanıltıcı, en kötü ihtimalle ise dolandırıcılıktır. Yaklaşık on yıl önce D-Wave, makinelerini yüzlerce veya binlerce kübite sahip olarak pazarladı. Bu teknik olarak doğru olsa da, kübitleri son derece gürültülü ve tamamen kullanılamaz durumdaydı. Son zamanlarda, D-Wave’in CEO’su CNBC’ye çıkarak müşterilerin makinelerini nasıl kullandıkları hakkında bir dizi tamamen yanlış ifade verdi. Yıllar içinde NASA, ABD Hava Kuvvetleri, Lockheed Martin ve Google dahil olmak üzere birçok kuruluş onlardan cihaz satın aldı.

Kuruluşlar, cihazlarının pratik bir faydası olduğu için değil, “geride kalma” korkusuyla D-Wave’den satın alıyorlar. D-Wave hakkında daha çok şey söyleyebilirim ancak bu makaleyi gerçek kuantum hesaplama şirketleriyle sınırlamak istedim.

Bu yazıyı araştırmamda ve yazmamda bana yardımcı olan ChatGPT, Claude ve Quillbot’a, ayrıca yazının önceki bir taslağına geri bildirimde bulunan Greg Fitzgerald ve Ben Ballweg’e teşekkür ederim.1