Google, “kuantum üstünlüğüne” ulaştığını iddia ediyor. Yani Google’ın Sycamore işlemcisi benzersiz bir şeyi başardı: 3 dakika 20 saniye içinde karmaşık bir matematik problemini çözdü. Arama motoru devine göre, son teknoloji ürünü bir süper bilgisayar bile bu problemi 10.000 yılda zar zor çözebilir. Peki bu uçuk farkın sebebi ne? Sycamore, mevcut teknolojiler üzerinde yapılmış bir güncelleme değil, tamamen farklı şekilde çalışan bir bilgisayar.
Sycamore bir kuantum bilgisayarı, yani gücünü parçacıkların garip davranışlarından alıyor. Böylesine yüksek bir işlem gücü, bunama tedavisine veya yapay zekanın icat edilmesine yardımcı olabilir. Bu yüzden diğer teknoloji firmaları da kendi kuantum bilgisayarlarını geliştirmeye çalışıyor. Devletler de kuantum bilgisayarı araştırmalarına milyarlarca dolar yatırım yapıyor. Hatta bu alanda ABD ile Çin arasında artan rekabet “21. yüzyılın Uzay Yarışı” gibi görülüyor.
Sycamore, Google için büyük bir adım olsa da kuantum bilgisayarı devriminin sadece ilk adımı. Kuantum hesaplamayı bu kadar olağanüstü yapan fizik problemleri, onun en büyük zorluklarından bazılarının da kaynağı; ve birçoğunu henüz çözmedik.
Kuantum bilgisayarlarının nasıl çalıştığını anlamak için kafa karıştırıcı bir gerçeği benimsemeniz gerekiyor: Nesneler aynı anda iki yerde olabilir. Bunu kavramak çok zor çünkü hem biz nesneleri bu şekilde algılamıyoruz ve hem de yüzyıllar boyunca Isaac Newton ve diğer bilim insanları dünyada öngörülebilir kuralların işlediğini söylemişti. Örneğin, bir elma her zaman yere düşer (önce kafanıza çarpsa bile). Ayrıca, o elmayı eve götürüp mutfağa koyarsanız aniden banyoda belirmez.
Ancak bu kurallar atom altı düzeyde geçerli değil. “Kuantum”, ölçebileceğimiz en küçük miktardır. Bunlar da evrenin yapı taşlarıdır. 20. yüzyılın başlarında Niels Bohr, Werner Heisenberg ve Erwin Schrödinger gibi bilim insanları parçacıkların neredeyse her yerde bulunabildiğini, ama belli bir konumda bir parçacığı kesin olarak bulma ihtimalinin sıfır olduğunu keşfetti. Bunun nedeni, parçacıkların aynı anda iki yerde olabilmesidir. Örneğin, elektronlar aynı anda hem aşağı hem yukarı spin hareketi yapar.
Fizikçiler bu davranışa “süperpozisyon” diyor. Mesele şu ki, süperpozisyon yalnızca siz bakmadığınız zaman gerçekleşiyor. Yani onu ölçmeye çalıştığımız anda parçacıklar belirsiz durumlarını kaybediyor ve sadece yukarı veya aşağı spin hareketi yapıyorlar. Fizikçilerin elinden gelen en iyi şey, gözlemlendikleri anda hangi durumda görünecekleri ihtimalini bulmak.
Bu tuhaflık yetmezmiş gibi, parçacıklar çiftler veya gruplar halinde “birbirine dolaşabiliyor”. Böylece birbirlerine derinden bağlı hale geliyorlar ve birini değiştirmeden diğerini de değiştiremiyorsunuz. Albert Einstein buna “uzaktan ürkütücü eylem” demişti çünkü parçacıklar evrenin zıt uçlarında olsa bile eylem gerçekleşebiliyor.
Tüm bu fikirler kafanızı karıştırdıysa hiç canınızı sıkmayın. Kuantum fiziğini tanımlayan çalışmalarından ötürü 1965 Nobel Fizik Ödülü’nü paylaşan Richard Feynman bile şöyle demişti: “Kuantum mekaniğini anladığınızı düşünüyorsanız kuantum mekaniğini anlamamışsınız demektir.” Yine de Feynman, kuantum bilgisayarı yapma fikrini öne sürmekten geri kalmadı.
Feynman daha 1981 yılında California Teknoloji Enstitüsü’ndeki bir konferans salonunda bilgisayarı yeniden icat etmenin vaktinin geldiğini söylemişti. O yıl, IBM’in “kişisel bilgisayar (PC)” terimini ilk kez kullandığı yıldı ve kişisel bilgisayarların günlük yaşamlarımıza girmesi bile on yıl sürecekti.
O zamandan beri kullanılan tüm bilgisayarlar “bit” denilen bilgileri işleyerek çalışır. Her bit 1 veya 0 değerini temsil eder. Bu ikili kod sistemi, bilgisayarın yapabileceği tüm hesaplamaların temelini oluşturur. Bir bilgisayar ne kadar fazla bit işleyebilirse o kadar çok görevin üstesinden gelebilir.
Feynman‘ın düşündüğü kuantum bilgisayarında “kuantum biti” (kısaca “kübit”) kullanılacaktı. Kübitler süperpozisyonda var olacak, böylece aynı anda hem 1 hem de 0 değerlerini tutabilecekti. İki kübiti kuantum dolaşıklığına tabi tutarsanız aynı anda dört değer tutabilirler: 1-0, 0-1, 1-1 ve 0-0. Kübit sayısı arttıkça kuantum bilgisayarı geleneksel bilgisayardan çok daha güçlü hale gelir ve bilgileri çok daha kısa sürede işleyebilir.
Feynman, teknolojinin nasıl çalışabileceğine dair bir taslak sunmuştu ama çalışan bir kuantum bilgisayarı yapmanın çok daha zor olduğu ortaya çıktı. Kübitler atomlardan veya atom altı parçacıklardan yapılıyor. Onları kontrol etmeye çalışmak, kuantum özelliklerini yitirmelerine neden olabiliyor. Onları birbirine bağlamak bile yıllar sürdü ve ilk “iki kübitlik” bilgisayar 1998’de ortaya çıktı.
Ama 20 yıl önce Japonya’da ortaya çıkan süperiletken devreler sayesinde her şey değişti. Güçlü buzdolapları sayesinde kübitleri -273 dereceye kadar soğutmak mümkün hale geldi. Intel bu yöntemi kullanarak 49 kübite, IBM ise 53 kübite ulaşmayı başardı. Google’ın yenilikçi Sycamore işlemcisinde de 53 kübit var ama Google 72 kübitlik başka bir işlemci yaptı bile. 119,5 milyon dolar yatırım alan Rigetti adlı startup, 128 kübitlik bir sistem üzerinde çalıştığını söylüyor. Ancak büyük nesneleri soğutmak küçükleri soğutmaktan daha zor, özellikle de uzayın derinliklerinden bile daha soğuk olmalarını istiyorsanız. Süperiletken kübitler kuantum üstünlüğüne ulaşacak boyuta geldiklerinde kendilerini soğutan buzdolaplarına sığmamaya başlıyorlar.
Alternatiflerden biri iyonları (elektrik yükü kazanmış atomlar) kullanmak. İyonlar elektrik alanları yayan mikroçipler kullanılarak yakalanabilir. Daha sonra her mikroçip bir kübit olarak kullanılabilir. En önemlisi, bunlar oda sıcaklığında çalışabileceği için buzdolabı sorunu çözülmüş olur. Ancak yakalanan iyonlar henüz sadece laboratuvar ortamında test edildi ve ihtiyaç duyulan endüstriyel ölçekte kullanılmaları uzun zaman alacak. Bu arada Microsoft ise sıcaklığa daha az duyarlı olan topolojik kübitler üzerinde çalışıyor ama bunun için de elektronların bölünmesi gerekiyor. Bu teknolojinin adeta kuantum durumunda olduğunu söyleyebiliriz: Hem önemli atılımlar yapıyoruz hem de aynı zamanda onu daha yeni anlamaya başlıyoruz.
Kaynak: How It Works