Rus bilim insanları kuantum hesaplamada dünya rekoru kırdı.

Kuantum teknolojilerini hâlâ simyaya, hatta ezoterizme yakın gören ve genellikle onlara inanmayan insanlar var. Bu arada, kuantum teknolojileri, devlet başkanının devlet şirketlerinin başkanları ve Rusya Bilimler Akademisi ile mikroelektronik, yeni malzemeler ve uzay araştırmalarıyla birlikte yaptığı görüşmelerin ana konularından biri. Bu, kuantum teknolojilerinin bir miktar değeri olduğu ve en azından oldukça basitleştirilmiş bir şekilde ne olduklarını anlamamız gerektiği anlamına geliyor.

Bölünemez "dalga-parçacık"

Referans kitaplar bize kuantumun, enerji veya ışık gibi fiziksel bir niceliğin en küçük, bölünemez parçası olduğunu söyler. Yani, bir ışık kuantumu tek bir fotondur, bir madde kuantumu bir atomdur, bir yük kuantumu bir elektronun yüküdür... Kuantumlar hem parçacıklar hem de dalgalar gibi davranır ve aynı anda birkaç durumda var olma özelliğine sahiptir. Örneğin, bir atomdaki bir elektronun, tıpkı bir gezegenin Güneş etrafındaki dönüşü gibi, çekirdek etrafında sabit bir dönüş yörüngesi yoktur. Enerjisini veya hızını ölçebiliriz, ancak durumunu bozmadan konumunu tam olarak belirleyemeyiz.

Bu belirsizlik durumuna süperpozisyon denir. Bu prensibi açıklamak için Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger, 1930'ların ortalarında bir düşünce deneyi önerdi: Bir kedi, ölümcül bir zehirle dolu karanlık bir kutuya konur ve bu zehir, büyük olasılıkla ya çalışır ya da çalışmaz. Bu nedenle, kutu açılana (yani sistem durdurulana) kadar kedinin ölü mü diri mi olduğunu bilemeyiz ve bu nedenle "diri-ölü" bir süperpozisyondadır.

Kuantum mekaniğinin bir diğer temel özelliği kuantum dolanıklığıdır. Bu, iki veya daha fazla parçacığın durumlarının, aralarındaki mesafe ne olursa olsun ayrı ayrı tanımlanamayacak kadar sıkı bir şekilde birbirine bağlı olabileceği anlamına gelir. Birbirlerini, tabiri caizse, büyük bir mesafe üzerinden "algılarlar" ve bir parçacıktaki değişiklik, anında diğerinde de bir değişikliğe yol açar. Bu ilkenin çok kaba bir örneği çoraplardır. Mağazadan ayırt edilemeyen yeni bir çift çorap aldığınızı düşünün. Bir çorabı Vladivostok'a giden bir arkadaşınıza veriyorsunuz ve diğerini saklıyorsunuz. Hangi çorabın Vladivostok'a gittiğini nasıl anlarsınız - soldaki mi yoksa sağdaki mi? Kendi çorabınızla belirli bir eylem gerçekleştirene kadar, yani çorabı ayağınıza geçirene kadar asla bilemezsiniz. Çorabınızı sağ ayağınıza giyerseniz, Vladivostok'ta otomatik olarak soldaki çorap olacaktır.

Açıklanan ilkeler bir kuantum bilgisayarı oluşturmak için kullanılır. Örneğin, klasik bir bilgisayarda temel bilgi birimi, yalnızca iki durumdan birinde - "0" veya "1" ("kapalı" veya "açık") - bulunabilen bir bittir. Bir kuantum bilgisayarda ise, bir bitin eşdeğeri, yalnızca "0" veya "1" durumunda değil, aynı zamanda her ikisinin de üst üste binmesinde, yani belirli olasılıklarla her iki değeri aynı anda temsil eden bir kübittir. Üst üste binme ve dolanıklık kullanarak, kuantum bilgisayarlar teorik olarak belirli problemleri en güçlü klasik süper bilgisayarlardan önemli ölçüde daha hızlı çözebilir.

İkili sistem ortadan kalkacak mı?

Kuantum hesaplama fikri ilk olarak 1980 yılında Sovyet bilim insanı Yuri Manin ve Amerikalı Paul Benioff tarafından ortaya atılmış olsa da, kuantum yarışı ancak 2018'de başladı (Rusya 2020'de katıldı). Geliştiricilerin de belirttiği gibi, "kuantum bilgisayar" kavramı henüz emekleme aşamasında ve olgunlaşması için uzun bir zamana ihtiyaç duyacak.

Ancak birçok kişi, tam olarak geliştirildiğinde, bu teknoloji ve insan düşüncesi mucizesinin modern abaküs teknolojisinden, modern bir bilgisayarın abaküsten ne kadar farklı olduğunu şimdiden ilan ediyor. Tahta bir abaküs ve günlük bilgisayarımız sonuçta aynı ikili sistemdeki bağlantılar olsa da, kuantum abaküs teknolojisi önemli ölçüde farklı olacak ve tıpkı uzay aracının bir zamanlar Dünya'dan ayrılıp uzaya açılmamızı sağlaması gibi, insanların tamamen farklı bir sorunlar ve çözümler dünyasına girmesine olanak tanıyacak. Şimdi, uzay çağının başlangıcında insanların yüzde kaçının bunun gerçekleşeceğine inandığını hatırlayalım.

Kuantum bilgisayarlarındaki hesaplamaların "uzay" hızlanmasının, kişiselleştirilmiş ilaçların geliştirilmesine, beynin sırlarının çözülmesine ve en güvenilir veri koruma sistemlerinin, yani şifrelemenin oluşturulmasına yardımcı olması bekleniyor. Ancak bir kuantum bilgisayarı, bu makalenin yazıldığı bilgisayarın yerini alamaz. Neden mi? Çünkü tıpkı bir uzay roketinin görevlerinin karasal yüksek hızlı trenimizin yeteneklerinin ötesine uzanması gibi, geleneksel bir bilgisayarın yeteneklerinin ötesinde farklı görevleri olacak.

Bilgisayar Mimarları

Şu anda dört farklı kuantum platformuna dayalı kuantum bilgisayarlarının geliştirilmesi umut verici olarak değerlendiriliyor: nötr atomlar, fotonlar, süperiletkenler ve iyonlar. Bu alanda lider bir ülke olan Rusya da bu alanlarda çalışmalar yürütüyor. Uzmanlar, bu çeşitliliğin bilişimin çeşitli alanlarında maksimum sonuçlar elde etmemizi sağlayacağından emin. Zamanla bu geliştirme yaklaşımlarından birinin çıkmaza girmesi veya yeni, umut verici bir yönün ortaya çıkması da mümkün.

Günümüzde en gelişmiş teknoloji, süperiletken devrelere dayalı kübitlerin oluşturulması olarak kabul edilmektedir. Bu alandaki rekor, IBM'in 1.121 kübitlik Condor kuantum işlemcisidir.

Ancak Rus 50 kübitlik iyon kuantum bilgisayarının geliştiricisi Ilya Semerikov, tek başına kübit sayısının bize pek bir şey ifade etmediğini söylüyor. Bir kuantum bilgisayarda, hesaplama kalitesi ve hata azaltma özellikle değerlidir ve bu açılardan, bilgisayarımız neredeyse 1121 kübitlik bilgisayar kadar iyidir. Ancak, 56 kübitlik iyon kuantum bilgisayarı Quantinuum H2-1'in doğruluğuna ulaşmak biraz çalışma gerektirecektir.

Semerikov'a göre, Rus bilgisayarı kübit olarak bir iterbiyum iyon zinciri kullanıyor. İyon kübit teknolojisi, uzaydaki tek tek iyonları yakalamak için elektromanyetik alanların kullanımına dayanıyor. Bu parçacıklar bir tuzakta "askıya alınıyor" ve neredeyse hareketsiz kalıyorlar. Bu da dış müdahaleyi azaltıyor ve kuantum durumlarının nispeten uzun süre korunmasını sağlıyor. İyon tuzağında parçacıklar neredeyse mutlak sıfıra kadar soğutuluyor ve durumları lazer darbeleri kullanılarak değiştirilebiliyor. Bu darbelerin dizisi, kuantum algoritmalarının temelini oluşturuyor.

Rus bilgisayarının Amerikan bilgisayarından daha az kübiti var, ancak bu az sayıdaki bilgi birimi, işlemlerin yüksek güvenilirliğiyle dengeleniyor. FIAN araştırmacıları, basit bir kübit (iki seviyeli kuantum sistemi) değil, dört seviyeli bir kübit (bir kudit sistemi) kullanarak orijinal bir fikri test ettiler. Bu, temel hesaplama algoritmalarına bağlı olarak 2 ila 6 kat daha verimli.

İncelikli durumların şampiyonları

Bazı algoritmalar için bu özel mimarinin daha avantajlı olduğu kanıtlandı ve bilim insanlarımızı geçen yıl, sıralanmamış, düzensiz veri tabanlarında arama yapmak için algoritmalara önemli bir hız kazandıran Grover algoritmalarını uygulamaya yöneltti. Deneyde, bir sinir ağını kuantum bilgisayarı kullanarak el yazısıyla yazılmış rakamları sıralayacak şekilde eğittiler.

Daha yakın zamanda, Fizik Enstitüsü'ndeki bilim insanları, kuantum bilgisayarlarında maksimum sayıda kübit kullanarak, "Toffoli kapısı" adı verilen çoklu kübit dolanıklık işlemini dünyada ilk kez göstererek kendilerini öne çıkardılar. Bu gelişme, yakın zamanda saygın fizik dergisi Physical Review Letters'da yer aldı.

MK Referansı: Toffoli kapısı, üç kübit (kuantum bitleri) üzerinde etki eden bir "kaldıraç" olan bir kuantum mantık elemanıdır. Üçüncü kübitin durumunu, yalnızca ilk iki kübit "1" durumundaysa (yani doğru değeri gösteriyorsa) değiştirir. Aksi takdirde, üçüncü kübiti değiştirmez ve ilk ikisi üzerinde hiçbir etkisi olmaz.

"Bu, 10 kübit üzerinde genelleştirilmiş çok kübitli bir mantıksal işlemdi," diye açıklıyor Ilya Semerikov. "Bugüne kadar küresel bilimsel literatürde belgelenen en büyük işlem. Bu kapı (veya 'kaldıraç'), hata düzeltme algoritması da dahil olmak üzere aynı anda birkaç kuantum algoritmasına uygulanabilir. Ve gösterdiğimiz şey büyük ölçüde Alexey Fedorov'un grubundaki teorisyenlerimiz sayesinde oldu; bu çok parçacıklı işlemi 100 adım yerine 10 adımda gerçekleştirmek için çok seviyeli kuantum sistemleri kullanmanın bir yolunu geliştirdiler."

– Kuantum bilgisayarları geleneksel bilgisayarlara kıyasla ne kadar güçlü olduklarını kanıtladılar?

– Hiç de değil... Kuantum bilgisayarlarının klasik bilgisayarlardan daha iyi performans gösterdiği faydalı bir görev henüz yok. İşte dünya çapındaki bilim insanlarının bugün ulaşmaya çalıştığı sonuç bu.

– Ama mesela kuantum hesaplama kullanılarak keşfedilen yeni kanser ilaçları hakkında okudum...

Şimdilik, nihai bir hedefe yönelik belirli bir hesaplama yapan kuantum bilgisayarlarından bahsediyoruz. Bunlar şimdilik, kuantum bilgisayarlarıyla nasıl çalışılacağını öğrenmek için pilot projeler. Size bir benzetme yapayım: 1'den 100'e kadar iyi sayabilen bir makineniz var ve ben size sadece 3'e kadar, ama çok hızlı sayabilen başka bir makineyle geliyorum. "Tamam, gücünü 30 katına çıkar, sonra 100'e kadar sayabiliyor mu bakalım," diyorlar. İşte günümüz kuantum bilgisayarlarının seviyesi.

Bir diğer umut vadeden teknoloji olan yapay zeka çok daha ileri bir noktaya ulaşmış gibi görünüyor. "Olgun" bir kuantum bilgisayarı yaratma çabaları boşa mı gidecek?

"Elbette, yapay zekâ şu anda çok iyi sonuçlar gösteriyor. İlaç ve karmaşık kimyasal bileşikler oluşturma konusunda, sinir ağları şu anda çok daha iyi sonuçlar gösteriyor. Ayrıca kuantum bilgisayarımızı optimize etmek için de kullanıyoruz. Ancak bir fark var: Yapay zekâ yalnızca büyük bir örneklem, belirli bir veritabanı olduğunda işe yarar ve yalnızca müşterinin -insanın- beklediği resmi "tahmin edip" "tamamlaması" gerekir. Ancak bir kuantum bilgisayarı, herhangi bir ön veri veya ön eğitim olmadan çalışabilir.

– Peki gelecekteki olasılıklarına inanmamızı sağlayan şey nedir?

"Genel olarak, bir kuantum bilgisayarı kendi başına hâlâ şaşırtıcı. Geliştiriciler arasında bile birçok kişi, basit hesaplamaları bile nasıl gerçekleştirebildiğini hâlâ anlamıyor! Toffoli algoritmasıyla gösterdiğimiz dünya rekoru, gelecekte gerçek pratik uygulamalara giden yolda önemli bir sonuç. Bir kuantum bilgisayarı, temelde yeni malzemeler ve kimyasal bileşikler, karmaşık lojistik ve enerji modellemesi gibi potansiyel olarak daha karmaşık problemleri çözmede klasik bir bilgisayara yardımcı olmalıdır. Bu tür problemler için algoritmalar biliniyor, ancak bunların işe yaraması için bir kuantum bilgisayarının bugün olduğundan birkaç kat daha güçlü olması gerekiyor. Kuantum teorisyenleri ve algoritmikçiler de çalışmalarına devam ediyor ve umarım yakında yeni kuantum algoritmaları sınıfları göreceğiz."