Ekonomist & Araştırmacı Barış Yalın Uzunlu, Fintechtime Mayıs sayısı için yazdı “Kuantum mekaniği her sektörde devrim yapmaya hazırlanıyor”.
“Bu yazıyı kuantum mekaniğinin ve onun hayatımızda oynadığı rolün bir girişi niteliğinde kaleme aldım. Kuantum mekaniğini anlamaya çalışmak için bile bildiğimiz her şeyi bir kenara bırakıp zihnimizi özgürleştirmemiz, önyargılarımızdan tamamen kurtulmamız şarttır. Kuantumların dünyasında kesinliğe yer yoktur. Şüpheciliği temel düsturumuz haline getirmemiz gerekir.”
Sanki…gerçeklik…yokmuş gibi.
Kuantum fiziği, latince “ne kadar?” anlamına gelen “quantum” sözcüğünden türemiştir. Ünlü İtalyan teorik fizikçi Carlo Rovelli’nin “Helgoland” başlıklı kitabında geçen bu cümle, çok küçüklerin fiziğini çarpıcı bir şekilde anlatır.
O kadar küçükler ki!
Albert Einstein’ın meşhur genel görelilik kuramı ile kuantum mekaniğini tek bir potada eritmeyi amaçlayan sicim teorisine göre uzunlukları yaklaşık santimetre. Bir pirinç tanesinden neredeyse katrilyon kere katrilyon daha küçük… Yani, teorik olarak olabilecek en küçük uzunluk olan Planck uzunluğunun yalnızca 100 katı.
Onlar her şeyin yapıtaşı, evrenin, zamanın, enerjinin, yerçekiminin, atomların, düşüncelerimizin, hislerimizin, aklımıza gelen her şeyin!
Determinizmin baş düşmanı, nihilizme göz kırpan bir teoriden bahsediyoruz. Belirlenimciliği reddeden, rastgeleliği savunan bir teoriden. Victor J. Stenger’in deyimiyle, “bilinçsiz kuantum”dan.
“Kuantum fiziğini anladığınızı düşünüyorsanız onu anlamamışsınız demektir” der Richard P. Feynman.
Gerçeklik algımıza o kadar ters düşer ki, doğru bildiğimiz her şeyi ters yüz etmemizi bekler. Bize olgulardan değil, olasılıklardan bahseder. Bizi soyut matematiğin balta girmemiş ormanlarında keşfe davet eder, fakat bulduğumuz her şeyi yorumlamamıza izin vermez.
Bir mottosu olsaydı, şu olurdu: Bazı şeyler gizli kalmak zorundadır. Tıpkı Stephen Hawking’in 1999 yılında University of Arizona’da Einstein’ın esprili “Tanrı zar atmaz” sözüne verdiği yanıt gibi: “Tanrı yalnızca zar atmakla kalmaz, aynı zamanda onları görünemeyecekleri yerlere de atar”.
Bu yazı kuantum mekaniğinin ve onun hayatımızda oynadığı rolün bir girişi niteliğinde.
Kuantum mekaniğini anlamaya çalışmak için bile bildiğimiz her şeyi bir kenara bırakıp zihnimizi özgürleştirmemiz, önyargılarımızdan tamamen kurtulmamız gerek. Şüpheciliği temel düsturumuz haline getirmemiz gerek. Kuantumların dünyasında kesinliğe yer yok. Bu nedenle kuantum mekaniğine özgü bazı çok temel kavramları tanımamız çok önemli. Bunlar kuantum mekaniği ile alakalı gördüğümüz, okuduğumuz, izlediğimiz her şeyde karşımıza çıkıyor…
Ele alacağımız ilk kavram, süperpozisyon.
Hepimiz etrafımızdaki dünyayı makro ölçekte algılarız. Bizim dünyamızda herhangi bir şeyin (fizik dilinde parçacığın) konumu tektir. Ya “a” konumundadır ya da “b” konumunda. Ama asla aynı anda ikisi birden değil. Bu durum etrafımızda olup biten her şey için geçerli. Örneğin, masamızın üzerindeki kalemin konumunu tam anlamıyla bilebiliriz. Eğer kalem hareket halindeyse (örneğin masadan düşüyorsa) ivmesinden faydalanarak yine onun belirli bir an içindeki kesin konumunu hesaplayabiliriz. Daha da büyük ölçekte, örneğin Güneş’in etrafında dönen gezegenlerin yörüngedeki konumlarını da neredeyse mükemmel bir kesinlikte hesaplayabiliyoruz.
Fakat çok küçüklerin dünyasında bu durum geçerli değil!..
Işığın yapıtaşı olan tek bir foton parçacığı düşünelim. Kuantum mekaniğine göre bir foton gözlemlenmediği takdirde aynı anda birden fazla konumda bulunabilir. Aynı foton, aynı anda, birden fazla konumda bulunuyor. İşte bu duruma fotonun süperpozisyon durumunda olması diyoruz. Bu olguyu direkt olarak gözlemlememiz imkânsız. Biz gözlemlediğimiz anda kuantum durumu bozulur (teknik tabiriyle kuantum eşevresizliği) ve foton iki konumdan birini tercih eder. Tamamen rastgele olarak.
Tek bir başlangıç ve bitiş noktası olan oldukça karışık bir labirent düşünün. Çıkışa ulaşana kadar tüm yolları teker teker deneriz. Seçtiğimiz rota yanlışsa geri dönüp başka bir rotayı deneriz ve bu böyle devam eder. Bilgisayarlardan yardım aldığımızda da sonuç değişmez, her bir olasılığı teker teker deneyerek sonunda çıkışa ulaşırız. Fakat, kuantum bilgisayarları bu problemin çözümü için bambaşka bir yol izler. Süperpozisyon durumundaki bir parçacık, gözlemlenmediği ve kuantum durumunun bozulmadığı durumda, aynı anda tüm olası rotaları deneyerek çıkışa anında ulaşır. Bu da tahmin edeceğiniz üzere inanılmaz bir hıza sahip olmamız demek.
Yine çok küçüklerin dünyasına özgü bir diğer çok önemli kavram da Einstein’ın meşhur “Spooky action at a distance” şeklinde tanımladığı ve uzun süre varlığını kabul etmek istemediği dolaşıklık.
Dolaşıklık, iki eş parçacığın aralarındaki mesafeden bağımsız olarak birbirini anında etkilemesidir. Burada kritik nokta, parçacıkların aralarındaki mesafenin önemli olmaması. Sanki parçacıklar birbirine görünmez bir ağ ile bağlanmış gibi. Bu durumun Einstein gibi bir dehayı bile hayrete düşürmüş olması çok doğal, zira içinde yaşadığımız evreni tanımak için elimizdeki en kuvvetli silahlardan biri olan ve onun en gözde teorisi olan özel görelilik kuramı evrenimizde ışık hızının asla aşılamayacağını söyler.
Kuantum hesaplama günümüzde henüz emekleme döneminde olan bir teknoloji. Fakat buna rağmen, özellikle Amerikalı bir matematikçi olan Peter Shor’un çabalarıyla ve 1998 yılında Los Alamos National Laboratory’den Isaac Chuang, MIT’den Neil Gershenfeld ve University of California at Berkeley’den Mark Kubinec’in 2 kübitten oluşan dünyanın ilk kuantum bilgisayarını geliştirmelerini takiben inanılmaz bir gelişme göstermiş durumda. Dünyanın en büyük bilişim şirketlerinin (Google, IBM, Amazon gibi) birbiri ardına kuantum bilgisayarlar geliştirmesi bunun en büyük kanıtı. Çin, Amerika Birleşik Devletleri, Hindistan, Avrupa Birliği gibi gerek ulusların gerekse uluslar üstü yapıların bu alandaki araştırmalara milyarlarca dolar yatırım yapması da tesadüfi değil.
Tabii ki, her gelişen teknolojide olduğu gibi kuantum hesaplama teknolojisinin önünde de aşılması gereken önemli engeller bulunuyor. Bu engellerden ilki, kuantum bilgisayarları geliştirmenin yüksek maliyeti. Bunu kriptoloji alanından bir örnekle açıklayalım: Hâlihazırda mevcut en güçlü şifreleme yöntemlerinden biri olan 2048-bit RSA’nın kırılabilmesi için 20 milyon kübitten oluşan bir kuantum bilgisayarına ihtiyacımız olduğu hesaplanmış (Kübit, normal bilgisayarlardaki “bit” teriminin kuantuma uyarlanmış halidir). Günümüzde ise aktif olarak çalışan tek bir kübit üretiminin maliyetinin yaklaşık 10 bin USD olduğu düşünülüyor. Bu da tek bir kuantum bilgisayarının yalnızca kübitlerinin maliyetinin 200 milyar USD olması demek ki, bu şartlar altında teknolojinin yaygınlaşması imkânsız.
Hangi sektörde faaliyet gösterirsek gösterelim, her zaman kıt kaynaklarla çalışmak zorundayız.
Ekonomi biliminin de en temel noktası budur: Kıt kaynakları maksimum verimlilikle paylaştırmak. Fakat kuantum mekaniği söz konusu olduğunda kaynakların çok daha kıt olduğunu söyleyebiliriz. Buna insan kaynağı da dâhil. Gerek kuantum bilgisayarlarının geliştirilmesi ve bakımı, gerekse bu bilgisayarlarda çalıştırılacak özel algoritmaların hazırlanması için ciddi bir teknik altyapısı olan insan kaynağına ihtiyaç var. Dünya Ekonomik Forumu tarafından 2022 yılında yayınlanan “State of Quantum Computing: Building a Quantum Economy” başlıklı rapora göre dünyada kuantum teknolojisine odaklanan yalnızca 40 yüksek lisans programı bulunuyor. Yalnızca 40, ve bunların dörtte biri ABD’de. Dolayısıyla bu alanda kalifiye insan kaynağı oldukça kısıtlı. Bir örnek de donanımdan verelim: Kuantum bilgisayarlarını soğutmak için hayati öneme sahip olan helyum-3 izotopu dünyada o kadar nadir bulunuyor ki, yılda yalnızca 15 kg üretilebiliyor. Yüksek talep ve neredeyse yok denebilecek arz ise fiyatları uçurmuş durumda: 1 gramının piyasa değeri günümüzde yaklaşık 1,400 USD. Örneklerden de gördüğümüz üzere, bu kadar kıt kaynaklarla çalışmak zorunda olan bir teknolojinin yüksek maliyetli olması çok normal.
Bir diğer önemli engel ise kübitleri kuantum durumunda tutmanın zorluğu.
Unutmayalım, çok küçüklerin dünyasında bizim makro ölçekte içinde yaşadığımız dünyamızın kuralları geçersizdir. O dünyanın kendine has 2 temel kuralına ayak uydurmak zorundayız. Bunlardan ilki çok soğuk bir ortam yaratmak, ikincisi ise bu ortamı her türlü dış etkiden arındırmak. Bir önceki bölümde bahsettiğimiz kuantum durumunun bozulması, yani kuantum eşevresizliği tam da bu şartlar sağlanamadığında ortaya çıkan bir problem. Bir kübitin kuantum durumuna geçebilmesi için sistemin neredeyse mutlak sıfıra kadar (’den daha düşük) soğutulup her türlü dış etkenden arındırılması gerekiyor. Aklımıza gelebilecek her türlü dış etkenden söz ediyoruz, ışık, ses, hatta Dünya’nın manyetik alanı bile. Mükemmele yakın şekilde izole edilmiş akıl almaz derecede soğuk bir ortama ihtiyacımız var. Bu şartları sağlamak o kadar zor ki günümüzde kübitleri en fazla 90 mikrosaniye süreyle kuantum durumunda tutabiliyoruz, yani saniyenin neredeyse 10 binde biri kadar! Bu da şu sonucu doğuruyor: Kuantum hesaplama teknolojisinden maksimum verimle faydalanabilmemiz için önümüzde iki seçenek var. Ya kübit sayısını arttırmalıyız ya da onları kuantum durumunda tutma süresini. İlk etapta sayıyı arttırmak kulağa daha mantıklı gelse de, bugün dünyanın en gelişmiş kuantum bilgisayarlarından biri olan D-Wave şirketinin “Advantage” isimli sisteminin yalnızca 5000 kübit ile çalıştığını unutmayalım. Kübit sayısını arttırmak oldukça zor bir iş ve zorluğu sadece maliyetli olmasından kaynaklanmıyor. Teknik yönden de oldukça güç, zira tüm bu kübitleri birbirleri ile entegre şekilde çalıştırmak gerekiyor. Fakat bizim binlerce, yüzbinlerce değil milyonlarca kübitten oluşan sistemlere ihtiyacımız var. Dolayısıyla en mantıklı çözüm kübitleri kuantum durumunda tutma süresini arttırmak için yeni yöntemler geliştirmeye odaklanmak gibi görünüyor. Hangi stratejiyi benimseyeceğimizi zaman gösterecek. Fakat ne olursa olsun, teknolojinin gelişebilmesi için bu sorunun çözülmesi şart.
Peki, tüm bu zorlukların üstesinden gelip tam kapasiteyle çalışabilen gelişmiş bir kuantum bilgisayarı yaptığımızda ne olacak?
Sorunun cevabı tam anlamıyla hayal gücümüzle sınırlı. Doğa kuantum mekaniği ile çalışır. Evren, kuantum mekaniği ile tasarlanmıştır. Aklımıza gelen her türlü, içinde neredeyse sayısız değişkenin rol oynadığı inanılmaz derecede karmaşık problemleri göz açıp kapayıncaya kadar çözebiliriz. Örneğin ilaç sektörü özelinde kişiye özgü ilaçlar geliştirebiliriz, meteorolojide hava durumunu neredeyse hiç hata payı olmadan tahmin edebiliriz, finansta inanılmaz kârlı ve bu kârı sürdürülebilir kılan portföyler geliştirebiliriz, kozmolojide karadeliklerin çalışma prensibini anlayabiliriz, hatta belki içinde yaşadığımız evreni bile modelleyebiliriz!
Kuantum mekaniği, akla gelebilecek her sektörde devrim yapmaya hazırlanıyor.
Hayatımızın tüm kıvrımlarına sirayet etmeye hazırlanan bir teknolojiden bahsediyoruz. Bu alandaki gelişmeleri yakından takip etmemiz artık tercihten öte bir zorunluluk haline geldi…
Yalnızca fizik, kimya, biyoloji gibi pozitif bilimler ile alakalı sektörleri düşünmeyelim. Ekonomi gibi sosyal bilimler de buna dâhil. Neticede ekonomiyi beklentiler yönetir, beklentiler ise insan psikolojisi çerçevesinde şekillenir. Son zamanlarda onun ayak seslerini daha net duyar gibiyiz. 2022 Nobel Fizik Ödülü’nün bu alanda verilmesi (kaldı ki Paul Dirac, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Richard Feynman gibi 20.yüzyılın en parlak beyinleri bu alanda çalışmış, inanılmaz bir şekilde bu isimlerin tamamı Nobel ödülüne layık görülmüştür) buna örnek olarak gösterilebilir. IBM, Microsoft, Google gibi dünyanın en büyük teknoloji şirketlerinin birbiri ardına kuantum bilgisayarlar geliştirmeleri ise bir diğer örnek. Son olarak finans alanından bir örnek vermemiz gerekirse; J.P.Morgan, UBS, BBVA gibi dünyanın en büyük yatırım bankalarının tamamının bu alanda onlarca pilot proje geliştirerek karlılık/verimlilik artışı sağlamayı hedeflemeleri bunun diğer kanıtları arasında.
