Kuantum hesaplamanın devrim niteliğindeki potansiyelini ilk olarak bir öğrenciyken, konuyla ilgili bir bilim dergisi makalesine rastladığımda gördüm. Şans eseri, o sırada lisans düzeyinde bir kuantum mekaniği dersine dalmıştım. Kuantum mekaniği, doğayı en temel düzeyde tanımlayan fizik teorisidir. Sınıf arkadaşlarım ve ben, tek bir parçacığın aynı anda birden fazla yerde garip bir “süperpozisyon”da olabileceğini ve iki parçacığın ayrılmaz ve güçlü bir şekilde birbirine bağlı veya “dolanık” olabileceğini öğreniyorduk.
Amaçlı bir enerjiyle, bu inanılmaz fikri anlatmaya ve dergiyi kuantum mekaniği sınıfımdaki hemen hemen herkese ödünç vermeye karar verdim. Dergiyi asla geri alamadım ama lisansımı bitirdim, kuantum hesaplama alanında doktora yaptım ve o zamandan beri bir kuantum bilgisayarı inşa etme hedefi doğrultusunda çalışıyorum. Bugün, bu teknolojiyi yaratmaya odaklanmış 100’den fazla kişiden oluşan bir araştırma merkezine liderlik ediyorum.
—
Hiçbir şey dünyayı hesaplama yeteneğimizden daha fazla değiştirmedi. Küresel nüfusun büyük bir kısmı artık ceplerinde bir milyara kadar transistör taşıyor ve evrensel internet erişimi de hızla bunu takip ediyor. Kırsalda koşarken bana hatırlatıldığı gibi, her işletme yakında bir bilgi işletmesi olacak; çiftçilik bile dönüştürülüyor. Hayvanlar, sağlıklarını uzaktan izlemek için sensörlerle donatılıyor ve bir çiftçinin ne zaman hangi ürünü ekeceğine ve ne kadar sulama ve gübreleme yapacağına dair kararları giderek yalnızca hava durumu tahminlerine değil, aynı zamanda piyasa ve ekonomik tahminler yapan karmaşık hesaplama modellerine de dayanıyor.
Bilgisayarların neredeyse her konuda hatta beklemediğimiz yerlerde bile bize yardımcı olabileceğini öğreniyoruz. Belki de gübrenin üretimi bile hesaplama ile geliştirilebilir. Dünya enerjisinin önemli bir yüzdesi bu azot bazlı ürünleri yapmak için kullanılıyor ancak topraktaki mikroplar aynı işi zahmetsizce yaptığı için daha iyi bir çözümün mümkün olduğunu biliyoruz.
Gübrenin daha enerji verimli üretimi, moleküllerin nasıl davrandığına dair doğru bir simülasyon yaratabilirsek çözülebilecek çok sayıda kritik sorundan sadece biridir. İklim değişikliği, sağlık ve enerji alanlarında da benzer sorunlar mevcuttur ve burada bilişim hayatlarımızı kökten değiştirebilir. Tüm bu alanlara dokunan bir örnek, atmosferden karbon yakalamak için ekonomik olarak uygulanabilir bir süreç tasarlamaktır; bu, metanol formunda otomobiller, ısıtma ve elektrik için yakıt üretmenin yan faydasına sahip olabilir.
Bu sorunları bilgisayarla ele almaya başlayabilmemiz bile, bilimkurgu benzeri silikon bilgisayar çipleri üretme yeteneğimiz sayesindedir. Her yıl milyarlarca tane üretiyoruz, her biri birkaç milyar transistör içeriyor – bir bilgisayarın yapı taşları. Bu transistörleri onlarca yıl boyunca o kadar küçültmeyi başardık ki artık boyutlarını tek tek silikon atomları cinsinden ölçebiliyoruz. En son transistörler sadece onlarca atom genişliğinde; binlercesi bir insan saçının genişliğine sığabilir.
Geleneksel bilgisayarların sorunu
Bilgisayara çok uygun görünen sorunların çoğu hâlâ inanılmaz derecede zordur ve geleneksel bilgisayarlarımız yalnızca şu anda yetersiz değil, sonsuza dek yetersiz kalacaklardır. Geçmişte, bilgisayar gücündeki düzenli artışlara güvenebiliyorduk. Bilgisayar çiplerindeki transistör sayısı her iki yılda bir etkileyici bir şekilde iki katına çıkmıştır; bu eğilim Moore Yasası olarak bilinir. Ancak en çok güvenmek istediğimiz anda Moore Yasası sona ermiştir. 2015 yılında, Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Enstitüsü Bilgisayar Topluluğu başkanı Tom Conte, kehanet dolu bir şekilde “Moore Yasası sınırlarına ulaşıyor: birim alan başına transistör sayısının iki katına çıkması yavaşlıyor… ve 2020 civarında yedi nanometrede sona ermesi öngörülüyor.” demişti.
Bilgisayarların çözmesini gerçekten istediğimiz bu büyük problemler o kadar zordur ki, Moore Yasası devam etse bile, geleneksel bilgisayarlar bunları asla çözemez. Bu problemler karmaşıklaştıkça, bunları çözmek için gereken süre iki katına çıkar, hatta daha da kötüleşir. Bir molekülü simüle etmek böyle bir probleme örnektir: Küçük molekülleri bir dizüstü bilgisayarda saniyeler içinde simüle etmek mümkünken, simülasyonu çalıştırmak için gereken süre daha büyük, daha karmaşık moleküller için kat kat artar. Geleneksel bilgisayarlar kullanılarak, sadece birkaç yüz atoma sahip moleküllerin tam simülasyonu evrenin yaşından daha uzun sürebilir.
Bir kuantum çözümü
İyi haber şu ki, bir çözüm artık elimizde; hem kullandığı temel fizik yasalarını hem de yaşamlarımızda, toplumda ve ekonomide yaratacağı dönüşümleri açısından derinlemesine, bilişime yönelik kökten farklı bir yaklaşım.
En temel düzeyde, geleneksel bilgisayarlar her bir “bit” bilgiyi -mantıksal sıfır veya bir- bir transistörün açık-kapalı durumunda temsil eder. Ancak evrenimizin en küçük bileşenlerinden bazıları üzerinde dikkatli bir kontrol uygulayarak, kuantum bilgisayarlar bunun yerine “kübitler” ile çalışır. Standart bir bit yalnızca sıfır veya bir durumunda var olabilirken, bir kübit iki mantıksal durumun benzersiz bir kuantum süperpozisyonunu benimseyebilir.
Kuantum mekaniğinin yasalarına uyan herhangi bir dikkatlice kontrol edilen sistem, bir kübit oluşturmak için kullanılabilir; popüler tercihler hapsolmuş iyonlar, süperiletken devreler ve foton olarak bilinen tek ışık parçacıklarıdır. Bunu nasıl yapmayı seçerseniz seçin, bu temel düzeyde hesaplama şeklinizi değiştirmek sorunlara yeni yaklaşımlar sunar.
Kuantum avantajı
Geleneksel bilgisayarlardan kaçan birçok sorun kuantum bilgisayar için oldukça uygundur — moleküler simülasyon bunun başlıca örneğidir. Günümüzün süper bilgisayar gücünün büyük bir kısmı moleküler ve malzeme simülasyonları gerçekleştirmek için kullanılır. Ancak bu simülasyonlar küçük sistemler ve kusurlu yaklaşımlarla sınırlıdır. Moleküllerin kuantum mekaniksel davranışını tam olarak simüle etmek geleneksel bir bilgisayar için aşılmaz olsa da bir kuantum bilgisayarı bu tür içsel olarak “kuantum” sorunlarını temsil etmek için mükemmel bir şekilde uygundur.
Birkaç yüz mantıksal kübite sahip bir kuantum bilgisayarı, azot fiksasyonunu modelleme ve havadan karbonu çıkarmak için katalizör tasarlama sorunlarını çözebilir. Yaklaşık 1.000 mantıksal kübite sahip bir kuantum bilgisayarı, ihmal edilebilir bir kayıpla elektrik gücü iletebilen (şu anda sadece elektrik santralinden tüketiciye iletimde elektrik gücünün yaklaşık %10’unu kaybediyoruz) oda sıcaklığında bir süper iletken tasarlamamıza yardımcı olabilir.
Bu simülasyon gücünü nihayetinde yeni ilaçlar, temiz enerji cihazları ve yakıt hücreleri için polimer membranlar tasarlamak için kullanabiliriz. Aslında, kuantum hesaplamayı ulaşım ve inşaattan sensörlere ve protezlere kadar her türlü amaç için herhangi bir malzemenin tasarımına uygulayabiliriz çünkü bu malzemeler nihayetinde moleküllerden ve atomlardan oluşur ve bunların özelliklerini ve etkileşimlerini anlamak bir kuantum mekanik problemidir. Bu, kuantum hesaplamanın en ilgi çekici özelliklerinden biridir: düşünme şeklimizi ve araştırabileceğimiz olası çözümlerin kapsamını genişleten bir teknolojidir.
Ancak kuantum bilgisayarların faydası moleküler uygulamalarla sınırlı değildir. Sözde kuantum algoritmaları, görünüşte “kuantum olmayan” sorunlara güçlü yaklaşımlar bulmamızı sağlar. Örneğin kuantum algoritmaları veritabanlarında daha hızlı arama yapabilir, desen eşleştirmesi (örneğin genomik ve genetik mühendisliğinde önemlidir) gerçekleştirebilir ve hatta bilgisayar grafik işlemlerini daha verimli bir şekilde gerçekleştirebilir.
Bu algoritmaları bulmak zordur çünkü kuantum tarzında düşünmemizi gerektirirler, ancak kuantum teknolojileri daha yaygın hale geldikçe ve bu şekilde düşünmede daha yetenekli hale geldikçe, giderek daha fazlasının ortaya çıkmasını bekleyebiliriz. Büyük veri iş analitiği ve otonom araçlar gibi yapay zekanın büyüyen alanları için hayati önem taşıyan makine öğrenimi görevlerinin temel unsurlarını gerçekleştirebilen kuantum algoritmaları bile vardır.
Ne zaman olacak?
Kuantum bilişiminin vaadi göz önüne alındığında, bu dünyayı değiştirecek teknoloji ne zaman ortaya çıkacak? Dünyanın dört bir yanındaki endüstriyel ve üniversite araştırma laboratuvarlarında bir düzineye kadar kübit içeren prototip sistemler zaten geliştirildi. Birçok insan bundan heyecan duyuyor çünkü birkaç düzine kübite ulaştığımızda, bu makineler geleneksel bir süper bilgisayar tarafından kopyalanamayacak sonuçlar üretmeye başlayacak. Bu, CalTech’teki Profesör John Preskill tarafından “kuantum üstünlüğü” olarak adlandırılan bir kuantum sisteminin aksi takdirde elde edilemeyecek gücünün tartışılmaz bir göstergesi olacaktır.
Bu heyecan verici bir ihtimal ve önümüzdeki birkaç yıl içinde oraya ulaşacağımıza inanıyorum. Ne yazık ki, bu kadar basit bir kuantum bilgisayarını yararlı bir şey hesaplamak için nasıl kullanacağımızı henüz bilmiyoruz. Yararlı sorunları ele almak için çok daha fazla kübite ihtiyacımız olacak.
İşin püf noktası, kübitlerin yaşadığı kaçınılmaz hataları düzeltme ihtiyacıdır. Kuantum bilgisayarlar, geleneksel bilgisayarların olmadığı şekillerde hatalara eğilimli olduğundan, şu anda 100 mantıksal kübite sahip bir kuantum bilgisayarı oluşturmak için yaklaşık bir milyon gerçek kübite sahip bir sisteme ihtiyaç duyulacağı anlaşılmıştır. Bu yedekliliği ekleyerek, birçok kusurlu kübitten mükemmel bir “mantıksal” kübit elde edebiliriz.
Ödenecek büyük bir bedel bu ve yakın gelecekte bu ölçekte kuantum bilgisayarları üretmenin tek yolunun şu anda bilgisayar çipleri yapmak için kullanılan inanılmaz silikon üretim kapasitelerinden faydalanmak olduğuna inanıyorum. Kulağa ne kadar dikkat çekici gelse de masanızdaki teknoloji bir kuantum bilgisayarı inşa etmek için ihtiyacımız olan şey olabilir.
İleriye giden yol
İşte harekete geçme çağrım: Moore Yasası’nın sonu konusunda endişelenmeyelim. Bizi ortada bırakmaktan çok, daha büyük bir bilişim devrimine giden basamak olabilir. Son bilişim devrimimizin taçlandıran başarısını – bugün sahip olduğumuz silikon çip üretim kapasitesini – alıp onu bir kuantum bilgisayarı inşa etmeye yönlendirelim. İklim değişikliği, enerji üretimi ve sağlık hizmetleri üzerindeki potansiyel etki göz önüne alındığında geleceğimiz sadece kuantum hesaplama yeteneğimize bağlı olabilir.
En azından, sonunda pastoral bir huzur içinde koşabileceğim anlamına gelebilir.
