• Son birkaç yıldır kuantum hesaplama alanında muazzam ilerlemeler kaydedildi, ancak bu ilerlemeler etrafında daha da büyük bir abartı oluştu.
• Birkaç yıl önce, kuantum üstünlüğü ilk kez elde edildi; bir kuantum bilgisayarı, bir hesaplamayı klasik bir bilgisayardan milyonlarca kat daha hızlı ve verimli bir şekilde gerçekleştirdi.
• Ancak bu, tek bir pratik sorun için kuantum üstünlüğü elde etmek de dahil olmak üzere vaat edilen birçok teknolojik ilerlemeden çok uzak. İşte gerçek ile kurguyu ayırmanın yolu.

Günlük deneyimimizde dünya %100 ölçülebilir, kesin ve gözlemciden bağımsızdır. Bardak, ne zaman ölçtüğünüze veya gözlemleyip gözlemlemediğinize bakılmaksızın, kırılmamış bir halde masanın üzerinde veya paramparça bir halde yerdedir. Çantanızdaki üç bilye kesinlikle kırmızı, yeşil ve mavi renktedir ve çantayı nasıl sallarsanız sallayın veya ne kadar uzun süre sallarsanız sallayın, kırmızı bilye kırmızı, yeşil bilye yeşil ve mavi bilye mavi kalır. Ve uzun zaman önce bir şekilde komodinin üzerine düşen o çeyreğe bakarsanız, her zaman “yazı” veya “tura” yukarı bakıyormuş gibi davranacaktır, asla aynı anda hem yazı hem de tura gelmiyormuş gibi davranacaktır.

Ancak kuantum evreninde, durum mutlaka böyle değildir. Gözlemlenmeyen radyoaktif bir atom, kritik ölçüm yapılana kadar “bozulmuş” ve “bozulmamış” durumların bir üst üste binmesinde var olacaktır. Protonunuzu oluşturan üç değerlik kuarkının her birini ölçtüğünüzde kesin bir rengi olabilir, ancak gözlemlediğiniz rengin zaman içinde sabit olmayacağı kesindir. Ve eğer birçok elektronu, birer birer, çift yarıktan geçirirseniz ve hangi yarıktan geçtiğini ölçmezseniz, gördüğünüz desen her elektronun her iki yarıktan da aynı anda geçtiğini gösterecektir.

Klasik ve kuantum sistemleri arasındaki bu fark, hem bilimsel hem de teknolojik devrimlere yol açmıştır. Sadece şimdi ortaya çıkan bir alan, kuantum üstünlüğünün büyüleyici kavramını beraberinde taşıyan, ancak aynı zamanda bir dizi şüpheli iddia ve yanlış bilgi de üreten kuantum hesaplamadır. İşte gerçeği kurgudan ayırmanıza yardımcı olmak için kuantum üstünlüğü ve kuantum bilgisayarlarının mevcut durumu hakkında bir açıklama.

Muhtemelen aşina olduğunuz bir fikirle başlayalım: günlük bilgisayar yani klasik bilgisayar kavramı. Hesap makineleri ve cihazları uzun zamandır ortalıkta dolaşıyor olsa da 20. yüzyıldan çok önce, bize klasik bilgisayarın modern fikrini, şu anda Turing makinesi olarak bilinen biçimde veren Alan Turing’di.

Turing makinesinin basit versiyonu, istediğiniz her tür bilgiyi bitlere kodlayabilmenizdir: Örneğin 0’lar ve 1’lerle temsil edilebilen ikili (sadece iki seçenekli) bileşenler. Daha sonra, aklınızdaki herhangi bir keyfi hesaplamayı gerçekleştirmek için bu bitlere bir dizi ardışık işlem uygulayabilirsiniz (örneğin “AND”, “OR”, “NOT” ve daha fazlası gibi işlemler).

Bu hesaplamaların bir kısmı kodlanması kolay ve bilgisayarın gerçekleştirmesi kolay olacaktır: sadece az sayıda bit, az sayıda işlem ve hepsini hesaplamak için çok kısa bir zaman gerektirir. Diğerleri zor olacaktır: kodlaması zor, bilgisayarın gerçekleştirmesi için hesaplama açısından pahalı ve potansiyel olarak çok sayıda bit, çok sayıda işlem ve uzun hesaplama süreleri gerektirecektir. Ancak istediğiniz hesaplama ne olursa olsun, herhangi bir hesaplama görevini başarıyla gerçekleştirmek için bir algoritma veya yöntem tasarlayabiliyorsanız, bunu klasik bir bilgisayara programlayabilirsiniz. Sonunda, yeterli zaman verildiğinde, bilgisayarınız programı tamamlayacak ve size sonuçları sunacaktır.

Bu görüntü, kuantum hesaplama da dahil olmak üzere birçok uygulama için yararlı olan bir iyon tuzağını göstermektedir. İyon tuzakları, süperiletken kübit tabanlı bilgisayarlara kıyasla nispeten yavaş hesaplama sürelerine sahip olma dezavantajına sahip olsa da, iyon tuzakları süperiletken kübit rakiplerine kıyasla çok daha uzun tutarlılık zaman ölçeklerine sahip olma avantajına sahiptir.

Ancak, az önce tanımladığımız bu tür “klasik bilgisayar” (sadece klasik bitler ve klasik işlemlerle çalışan) ile “kuantum bilgisayar” arasında temel bir fark vardır. Burada ikincisi onlarca yıl boyunca tamamen teorik bir yapıydı. İstisnasız her zaman “0” veya “1” olduğu bilinen bir durumda olan normal bitler yerine, nasıl veya ölçüp ölçmediğinize bakılmaksızın, kuantum bilgisayarlar kübitler veya bitlerin kuantum analoğu olarak bilinen şeyleri kullanır.

Kübitler klasik bitlerin alabileceği değerlerin aynısını alabilirken — bu durumda “0” veya “1” — aynı anda “0” ve “1”in üst üste binmesi olan ara bir durumda var olmak gibi şeyler de yapabilirler. Toplamda %100’e ulaşan herhangi bir miktarda tam %100 “0” ile tam %100 “1” arasında yarı yolda olabilirler ve bir kübitin sahip olduğu “0” miktarı ve “1” miktarı hem kübit üzerinde gerçekleştirilen işlemlerin bir sonucu olarak hem de basit zaman evrimi nedeniyle değişebilir.

Ancak bir kübitin kritik ölçümünü yapmaya gittiğinizde ve ona “aslında hangi kuantum durumunda olduğunu” sorduğunuzda, ölçüm cihazınızda her zaman bir “0” veya “1” görürsünüz. Kübitin sistemin genel çıktısı üzerindeki etkilerine dayanarak, hesaplama yapılırken aynı anda “0” ve “1”in bir karışımı olması gerektiğini çıkarabilmenize rağmen, bu ara değeri asla doğrudan göremezsiniz.

Bir kübit, aynı anda her iki olası durumun özelliklerine sahip bir durumda var olabilir. Burada, bir akı kübiti veya süperiletken bir malzemeden yapılmış bir halka, aynı anda hem saat yönünde hem de saat yönünün tersine akan elektrik akımına sahip olabilir ve bu da hem “yukarı” hem de “aşağı” durumlarının bir üst üste binmesini yaratır.

Bir kübit, iki durumlu kuantum mekanik sistemi dediğimiz şeyin bir başka örneğidir: burada yalnızca iki sonuç ölçülebilir, ancak kesin kuantum durumu, kritik ölçüm yapılana kadar kesin olarak belirlenmez. Bu, aşağıdakiler de dahil olmak üzere birçok kuantum mekanik sistemi için geçerlidir:

• Bir elektronun spini, onu ölçmeyi seçtiğiniz herhangi bir yönde “yukarı” (+) veya “aşağı” (-) olabilir,
• Radyoaktif bir atom çekirdeğinin, ya bozunmamış bir durumda (başlangıç ​​durumuyla aynı) ya da bozunmuş bir durumda olabilen durumu,
• Veya yayılma yönüne göre sol veya sağ elli olabilen bir fotonun polarizasyonu,

Bu sistemlerin her biri, kritik ölçümler yapılıp nihai durumun kesin olarak iki ölçülebilir olasılıktan biri olduğu belirlenene kadar, sanki her iki olasılığın üst üste binmesi halindeymiş gibi davranır.

Kübitler klasik bitlerle çok önemli bir ortak özelliğe sahiptir: onları her ölçtüğünüzde, onları her zaman iki durumdan birinde görürsünüz: “0” durumu veya “1” durumu, hiçbir istisna veya ikisinin arasında bir durum yoktur. Ancak, çok önemli bir farkları da vardır: bir kübit üzerinde hesaplama işlemleri gerçekleştirdiğinizde, kübit klasik bir bit gibi belirli bir durumda (“0” veya “1”) değildir, bunun yerine “0” ve “1’in üst üste geldiği” bir durumda yaşar, tıpkı Schrödinger’in kedisinin kübit versiyonu gibi. Ancak tüm hesaplamalar yapılıp nihai sonuçlarınızı ölçtüğünüzde, o kübitin nihai durumu tamamen belirlenmiş olur: ve bunun “0” veya “1” olduğunu öğrenirsiniz.

Geleneksel bir Schrodinger’in kedisi deneyinde, kedinin ölümüne yol açan bir kuantum bozunmasının sonucunun gerçekleşip gerçekleşmediğini bilmezsiniz. Kutunun içinde, kedi, radyoaktif bir parçacığın bozunup bozulmadığına bağlı olarak ya canlı ya da ölü olacaktır. Nadiren tartışılsa da, bir Schrodinger’in kedisi deneyinin geçerliliği, sistemin çevresinden izole edilmesine bağlıdır; izolasyon mükemmel değilse, durumların üst üste gelmesinin kuantum doğası bozulacaktır.

Bir “bit” ile bir “kübit” arasındaki hesaplama farkı, “klasik iki durumlu sistem” ile “kuantum iki durumlu sistem” arasındaki kuantum mekaniği farkına çok benzer; burada sonunda yalnızca iki olası sonuç elde edecek olsanız bile, “sonuç #1” ve “sonuç #2” elde etme olasılıkları, kuantum sistemi için klasik sisteme kıyasla çok farklı kurallara uyar. Oysa klasik bir sistemde şunları sağlayabilirsiniz:

• Başlangıç ​​koşulları,
• Sistemi etkileyecek işlemlerin algoritması,

ve sonra sisteminizin son durumu için bir tahmin elde edin, sonuç olarak, bir kuantum mekanik sistemi için, sisteminizin son durumu için bir tahmin olarak yalnızca bir olasılık dağılımı elde edebilirsiniz. Kuantum durumunda yalnızca kritik deneyi tekrar tekrar gerçekleştirerek tahmin edilen dağılımınızı eşleştirmeyi ve üretmeyi umabilirsiniz.

Şimdi, işlerin biraz sezgiye aykırı hale geldiği yer burası: Klasik bilgisayarların klasik (kuantum değil) problemleri çözmek için iyi araçlar olduğunu ve kuantum problemlerini çözmek için kuantum bilgisayarlarının gerekli olduğunu düşünebilirsiniz. Ancak bilgisayar bilimindeki en önemli fikirlerden biri olan Church -Turing tezinin bu düşünceyle doğrudan çeliştiği, yalnızca klasik bitler ve klasik operatörler kullanılarak bir Turing makinesi tarafından çözülebilen herhangi bir problemin bir hesaplama aygıtıyla da çözülebileceğini belirttiği ortaya çıkıyor: yani klasik bir bilgisayar.

Şimdiye kadar hesaplamalı olarak hesapladığımız hemen hemen her şey klasik bir bilgisayarda yapılabilir, en iyi satranç hamlesini hesaplamaktan tam sayıları çarpanlarına ayırmaya ve her türlü fiziksel sistemi simüle etmeye kadar. Sisteminizi tanımlamak için bir hesaplama modeli tasarlayabiliyorsanız, bir Turing makinesi (yani klasik bir bilgisayar) bunu hesaplama yeteneğine sahiptir.

Klasik matematik ve klasik bilgisayarlarla klasik dalgaları içeren problemleri çözebildiğimiz gibi, kuantum mekanik dalgaları içeren problemleri de aynı şekilde çözebiliriz. Hesaplama cihazı önemsizdir: ister hesap makinesi, dizüstü bilgisayar, akıllı telefon, süper bilgisayar veya hatta bir kuantum bilgisayarı olsun (ki bu da klasik problemleri çözebilir), bir Turing makinesi tarafından çözülebilecek bir problem bu bilgisayarlardan herhangi biri tarafından çözülebilir. Ancak bu, tüm sorun çözme yöntemlerinin bunu yapmada eşit derecede etkili olduğu anlamına gelmez. Özellikle sadece normal bitler yerine kübitler değil, aynı zamanda doğal olarak kuantum operatörleri (veya bunların hesaplama eşdeğeri olan kuantum kapıları) kullanarak, doğası gereği kuantum mekanik bir sistemi simüle etmeye çalıştığınızı hayal edebilirsiniz. Burada kuantum bilgisayarı kullanmak, klasik bir bilgisayara kıyasla size verimlilik, hız ve hesaplama süresi açısından muazzam bir avantaj sağlayabilir.

Church-Turing tezine yönelik oldukça tartışmalı bir uzantı — yaratıcı bir şekilde genişletilmiş Church-Turing tezi olarak adlandırılmış — temelde bunu yapamayacağınızı ileri sürer. Bunun yerine, bir Turing makinesinin her zaman herhangi bir hesaplama modelini hatta doğası gereği yoğun (veya tamamen) kuantum olan bir hesaplama modelini bile verimli bir şekilde simüle edebileceğini iddia eder.

Bu görüntü Google’ın Sycamore kuantum bilgisayar işlemcisini gösteriyor. Mimari 50 küsur ile 70 küsur kübit arasında değişiklik gösterse de, bunlar mantıksal kübitler değil, fiziksel kübitlerdir. Pratikte, kuantum durumunun kırılganlığı, kısa tutarlılık süreleri ve düzeltilmesi gereken hataların yaygınlığı nedeniyle, bu tür bir mimaride yalnızca 9 ila 12 mantıksal kübit kodlanabilir.

Kuantum Üstünlüğü ve bununla ilişkili Kuantum Avantajı fikrinin ardındaki temel fikir budur. (Bazıları bu terimleri eş anlamlı olarak kullansa da giderek daha yaygın hale gelen önemli bir fark vardır.

• Kuantum Üstünlüğüne ulaşmak için, genişletilmiş Church-Turing tezini çürütmeniz gerekirdi, bunu yapmanın en kolay yolu bir karşı örnek sağlamak olurdu. Başka bir deyişle, bilinen tüm algoritmaları ve teknikleri kullanarak klasik bir bilgisayar için hesaplama açısından pahalı olan, ancak bir kuantum bilgisayarı için çok daha kolay ve daha az hesaplama açısından pahalı olan bir hesaplama problemini ortaya koyabilirseniz ve bir kuantum bilgisayarı kullanarak hesaplama süresinde muazzam bir hızlanma gösterebilirseniz, o zaman Kuantum Üstünlüğüne ulaşılmış olur.
• Öte yandan (biraz daha iddialı), Kuantum Avantajı olarak bilinen şeyi elde etmeye çalışabilirsiniz, bu da gerçek dünyayla gerçekten alakalı bir problem için Kuantum Üstünlüğü elde etmek anlamına gelir. Bu, çift yarıktan geçen elektronlar veya yoğun madde sistemindeki fononlar gibi fiziksel olarak ilginç ama doğası gereği kuantum bir sistem anlamına gelebilir veya kübitler ve kuantum kapıları kullanmanın daha az kaynak kullanarak önemli bir hızlanma sağladığı karmaşık bir klasik sistem anlamına gelebilir.

Bu tanıma göre Kuantum Üstünlüğü (muhtemelen) ilk olarak 2017-2019 yıllarında elde edildi, ancak Kuantum Avantajı’nın hala çok uzakta olduğu ve birkaç önemli uyarının bulunduğu görülüyor.

Süperiletken bir kriyostatın içine monte edilmiş bir Sycamore işlemcisinin bu gösterimi, Google’ın kuantum bilgisayarının şu anda nasıl göründüğünü göstermektedir. Kübitler klasik bilgisayarlara göre bazı hesaplama avantajları sunsa da, bir kuantum bilgisayarda temel olarak simüle edilebilecek hiçbir şey klasik bir bilgisayarda da simüle edilemez. Kuantum hesaplamanın amacı, kullanışlı ve pratik bir sorun için Kuantum Avantajı: Kuantum Üstünlüğü’ne ulaşmaktır.

Öncelikle, kuantum hesaplamanın gücüne ilişkin mevcut sınırlamalar iki faktör tarafından belirleniyor:

1. Bir kuantum bilgisayarı tarafından aynı anda kontrol edilebilen süperiletken kübitlerin sayısı, bu da herhangi bir hesaplamada işlenebilecek değişkenlerin sayısını sınırlar,
2. ve kuantum hata düzeltmesinin gücü, çünkü hiçbir kuantum devresi %100 güvenilir değildir (hepsi hata getirir) ve yaptığınız hatalar hem hesaplamanızı tamamlamak için gereken zamana hem de kullanılan kübit sayısına bağlı olarak artar.

Bu nedenle, Kuantum Üstünlüğüne (veya daha iddialı kuzeni Kuantum Avantajına) ulaşmak istiyorsanız, yalnızca az sayıda kübit gerektiren ve tüm gerekli hesaplamaların, söz konusu kübitlerin tutarlılık süresine göre kısa bir sürede gerçekleşebileceği bir hesaplama problemi (veya yararlı bir hesaplama problemi) tasarlamak isteyeceksiniz.

2019’da, Google’daki bir ekip tarafından Kuantum Üstünlüğü çok özel bir problem için gösterildi : Gerçek dünyada hiçbir faydası olmayan, klasik bir bilgisayarda simüle edilmesi aşırı zor olacak şekilde özel olarak tasarlanmış, ancak kuantum bilgisayar için kolay olacak bir problem. Bazıları hala daha iyi bir klasik algoritmanın sonunda bu problemin ve buna benzer diğerlerinin klasik bir bilgisayarda hızla çözülmesine izin vereceğini savunsa da, bu tür argümanlar işaret edilebilecek herhangi bir iyileştirme alanından yoksundur.

Çift yarıktan geçen tek bir elektron gibi kuantum sistemleri doğası gereği klasik bir bilgisayarda simüle edilmesi için genellikle hesaplama açısından çok pahalıdır. Simülasyonlar ve hesaplamalar açısından Quantum Advantage’ın gerçek, önemli hızlanmalar sağlaması için en büyük potansiyeli taşıyan sistemler bu tür sistemlerdir.

Maalesef, kuantum bilgisayarlarda klasik bilgisayarlardan çok daha hızlı bir şekilde herhangi bir yararlı problemi çözmekten hâlâ çok uzağız. Geçtiğimiz yıl Nature dergisinde, geçilebilir bir solucan deliğinin bir kuantum işlemcisine kodlandığı ve dinamiklerinin yalnızca 9 mantıksal kübit kullanılarak gösterildiğine dair bir rapor vardı: kuantum avantajının iddia edilen bir gösterimi. Daha ileri analizler, tüm araştırma çabasının temelde hatalı olduğunu ortaya koydu ve bu nedenle Kuantum Avantajı söz konusu olduğunda çizim tahtasına geri dönüldü.

Aklınıza gelebilecek hemen hemen her pratik görevin Kuantum Avantajı için çok az potansiyeli vardır, klasik bilgisayarlar çoğu durumda çok daha iyi performans gösterir. Örneğin 20 basamaklı yarı asal bir sayınız olduğunu varsayalım (iki asal sayının çarpımı olan bir sayı): bu problemi çözebilecek hiçbir kuantum bilgisayarı yoktur, ancak hazır dizüstü bilgisayarınız bunu milisaniyeler içinde başarabilir.

Ancak, yeni ve daha verimli bir kuantum faktörleme algoritmasının yalnızca klasik bilgisayarları kullanmaya kıyasla potansiyel bir hız artışı sunması ve yeni bir kuantum hata düzeltme protokolünün , standart (yüzey kodu) hata düzeltme protokolünü kullanarak 4000’den fazla fiziksel kübite duyulan mevcut ihtiyaç yerine, yalnızca 288 fiziksel kübitle 10 milyon sendrom döngüsü (gerekli hata düzeltmesinin bir ölçüsü) için 12 mantıksal kübiti koruma potansiyeli sunması ile artımlı iyileştirmeler meydana gelmeye devam ediyor. Bir gün, bu ve diğer ilerlemelerin kümülatif birleşimi, Quantum Advantage’ın yararlı ve pratik bir sistemde ilk sağlam gösterimine yol açacaktır.

Birçok kişi kuantum hesaplamanın gelişinin klasik bilgisayarlara kıyasla genel olarak hesaplamalarda hızlanmaya yol açacağını iddia etse de, bunun böyle olması çok düşük bir ihtimaldir. Bunun yerine, en iyi bilgisayarlar hibritler olacaktır: Kuantum Avantajı’nın elde edilebileceği uygulamalar için kuantum kısmından yararlanabilecek, ancak diğer tüm (yani çoğu) uygulamalar için klasik hesaplama tekniklerine başvurabilecek.

Kuantum bilgisayarlarının nihai hedefi, en azından kısa vadede, klasik olarak simüle edilmesi hesaplama açısından pahalı olan kuantum sistemlerini simüle etmektir. Quantum Advantage’ın ilk pratik uygulamasının burada ortaya çıkması bekleniyor ve şu alanın ne olacağı herkesin tahminine kalmış:

• Malzeme bilimi,
• Yüksek enerji fiziği,
• ve kuantum kimyası,

kuantum bilgisayarların pratik faydalarından ilk yararlanacak olanlar olacak. Daha fazla sayıda süperiletken kübit, bu kübitler için daha uzun tutarlılık süreleri ve ufukta beklenen üstün hata düzeltme ile kuantum bilgisayarların hesaplama gücü (hesaplama için kullanılabilen mantıksal kübit sayısı dahil) istikrarlı bir şekilde artmaktadır. Sonunda, klasik bilgisayarlar için hesaplama açısından pahalı olan ilk pratik, gerçek dünya sorunları kuantum bilgisayarlar tarafından hızlı ve verimli bir şekilde çözülecektir.

Ancak hiç kimse kuantum bilgisayarlarının bir gün çoğu uygulama için klasik bilgisayarların yerini alacağı veya Kuantum Üstünlüğüne ulaşmanın yararlı kuantum hesaplamasının çoktan geldiği anlamına geldiği yanılgısına kapılmamalıdır. Bunun yerine, geleceğimizin hesaplama açısından hibrit olmasını beklemeliyiz: Klasik bilgisayarlar hesaplama ihtiyaçlarımızın çoğunun kökeninde yer alır ve Kuantum Avantajının elde edilebileceği alanlarda kuantum bilgisayarları tarafından desteklenir.

Yine de, Newton, Maxwell veya Einstein’ın klasik teorileriyle açıklanamayan birçok önemli fiziksel fenomen olduğu gibi, üstün kuantum bilgisayarlarının geliştirilmesini bekleyen birçok önemli hesaplama problemi de vardır. Kuantum Üstünlüğü çoktan elde edilmiş ve daha pratik Kuantum Avantajı yolda olduğundan, kuantum hesaplama konusunda umut edeceğimiz çok şey var ancak aynı anda dikkatli olmamız gereken çok fazla abartı ve birçok yanlış iddia var.