Ekonomist & Araştırmacı Barış Yalın Uzunlu, Fintechtime Aralık sayısı için yazdı “Golyat Ordusuyla Savaşmak: Kuantum Hesaplamanın Önündeki Engeller”.
“Quantum mechanics describes nature as absurd from the point of view of common sense. And yet it fully agrees with experiment. So I hope you can accept nature as She is – absurd.”
Richard P. Feynman
Kuantum Hesaplamanın Önündeki Engeller
Konu kuantum mekaniği olunca içinde bulunduğumuz durumu en iyi özetleyen filmlerden biri Kanadalı yönetmen Vincenzo Natali tarafından 1997 yılında çekilen meşhur “The Cube” filmidir. Film, birbirini tanımayan bir grup insanın binlerce küpten oluşan bir hapishanede uyanması ile başlıyor. Küplerden bazıları güvenli, bazılarında ise ölümcül tuzaklar mevcut. Tek amaçları var: Ne pahasına olursa olsun çıkışa ulaşabilmek. Ve bunu başarırlarsa, ödülleri bir hapishane mahkumuna verilebilecek en büyük ödül: Özgürlük.
İşte kuantum mekaniği de bir nevi kendimizi içinde bulduğumuz, zorluklarla dolu bir hapishane. Bir avuç bilge rehberin ışığında çıkışı bulmaya çabalayan kör mahkumlar gibiyiz. Fakat filmden farklı olarak, başarırsak ödülümüz yalnızca hayal gücümüzle sınırlı…
Bu yazıda kuantum mekaniğini anlamak için çıktığımız yolda karşımıza çıkan bazı zorlukları tanıtacağım. Şüphesiz, henüz farkında bile olmadığımız başka zorluklarla da karşılaşacağız. Fakat tüm bunların üstesinden gelebilirsek doğanın, evrenin, hatta belki de varoluşun şifresini çözmeye her zamankinden daha yakın olacağız.
Hata Düzeltme (Error Correction)
Üzerinde genel anlamda bir fikir birliği olmasa da, naçizane fikrime göre kuantum hesaplamanın önündeki en büyük engel “decoherence”, yani eşevresizlik olarak bilinen fenomendir. Kuantum bilgisayarlarındaki kübitlerin kuantum durumuna geçmeleri için olağanüstü hassas koşullar gerekir. Yani inanılmaz derecede soğuk, kelimenin gerçek anlamıyla “boş” bir ortam. Ortamdaki ısı artışı (başka bir deyişle moleküler hareketliliğin artışı), WiFi sinyalleri, hatta serbest dolaşan fotonlar bile kübitlerin kuantum durumundan çıkmaları, yani eşevresizlik için yeterlidir.
Eşevresiz kübitlerin ise sıradan “bit”lerden hiçbir farkı yoktur. Kuantum bilgisayarlarının muazzam gücünden maksimum düzeyde faydalanabilmek için sistemi mümkün olduğu kadar uzun bir süre kuantum durumunda tutmalıyız.
Günümüzde bu engeli aşmak için elimizde bulunan en etkili silahlardan birisi Kuantum Hata Düzeltme olarak bilinen algoritmadır. Google ve IBM gibi binlerce kübite ölçeklenmiş kuantum sistemleri oluşturma hedefi olan büyük şirketlerin yol haritalarında kuantum hata düzeltme kritik önemde bir unsur olarak kendine yer bulmuştur.
Kuantum hata düzeltmenin arkasında kübitlerle tek tek ilgilenmek yerine birden fazla kübitten oluşan bir “mantıksal kübit” yaratmak yatıyor. Bilgi, birden fazla kübitte kodlanarak korunuyor ve bu sayede işlemci çalışırken bile bilginin bütünlüğü bozulmuyor. Yani kısaca, bir kübitteki bilginin bozulması (hata) diğer destekleyici kübitler tarafından “düzeltiliyor”. Tabii ki, bunun ciddi bir maliyeti var: Donanıma ve seçilen kuantum algoritmasına bağlı olarak, her bir mantıksal kübiti desteklemek için yaklaşık 1,000 kübite ihtiyaç duyulmakta. Yani yalnızca 1,000 mantıksal kübitten oluşan bir sistemi desteklemek için 1 milyon kübit kullanmamız gerekiyor. Tahmin edeceğiniz üzere, henüz katetmemiz gereken çok yol var.
Bu konu o kadar kritik ki, yakın zamanda Google CEO’su Sundar Pichai şirket bünyesinde kuantum hata düzeltmesine yönelik gelişmeleri özetlediği bir yazı yayınladı. Buna göre, Google bünyesinde çalışan Kuantum Yapay Zekâ araştırmacıları dünyada ilk defa deneysel olarak kübit sayısını arttırarak hataları azaltmanın mümkün olduğunu gösterdiler. 49 kübitten oluşan bir “mantıksal” kübitin 17 kübitten oluşan bir “mantıksal” kübitten daha iyi performans gösterdiği ispatlandı ve çalışma Nature dergisinde yayınlandı (https://www.nature.com/articles/s41586-022-05434-1). Doğru yoldayız, her ne kadar emekleyerek ilerlesek de…
Ölçeklenebilirlik (Scalability)
Ölçeklenebilirliği çok temel olarak bir sistemin veya yapının mevcut koşullara uygun olarak büyütülebilmesi veya küçültülebilmesi olarak tanımlayabiliriz. Kuantum teknolojilerinde ise ölçeklenebilirlik birbirleri ile dolaşık ve hata oranları sıfıra yakın binlerce kübitin tam bir uyum içerisinde çalışması anlamına geliyor.
Her ne kadar hata düzeltmeyi önümüzdeki en büyük engel olarak tanımlasak da, ölçeklenebilirliği bundan ayrı bir şekilde düşünemeyiz. Neticede, hata oranları yüksek binlerce kübitten oluşan sistemler gerçek dünyada pratik anlamda çözmeyi umduğumuz sorunlarımız için yetersiz kalacaktır. Keza, hata oranı düşük az sayıda kübitten oluşan sistemler de aynı şekilde. Biz ise hata oranı sıfır olan milyonlarca kübitten oluşan sistemler geliştirmeyi amaçlıyoruz. Dolayısıyla, bu iki engel birbirleriyle iç içe geçmiş durumda.
Ölçeklenebilirliğin nasıl sağlanacağı konusunda farklı yaklaşımlar mevcut. Bu yaklaşımlara bir örnek olarak Kaliforniya’da yerleşik bir kuantum hesaplama şirketi olan Atom Computing’in yöntemini verebiliriz. Şirket, nötr atomları kullanarak mümkün olduğunca hızlı ölçeklenen kuantum bilgisayarları geliştirmeyi amaçlıyor. Nötr atom yaklaşımı ise şu şekilde açıklanabilir:
“Yaklaşık olarak avuç içi büyüklüğünde bir vakum odası düşünün. Bu odada, alkali toprak elementi atomları lazerler tarafından hapsedilip soğutulduktan sonra birbirlerinden birkaç mikron (milimetrenin binde biri) uzaklıkta olacak şekilde diziliyorlar. Her bir atomun çekirdeğinin spini hassas bir şekilde kontrol edilerek ve elektron bulutları birbirleri ile dolaşık hale getirilerek kübit haline getiriliyorlar. Bu şekilde, aralarında 4 mikron mesafe olacak şekilde üç boyutlu olmak üzere dizilen 1 milyon kübit 1 milimetreküplük bir hacmin yalnızca onda birini kaplamaktadır.”
Bu maddede son olarak ölçeklenebilirlik ile yakından bağlantılı olan donanım geliştirme konusundan da kısaca bahsetmekte fayda var. Şunun altını çizelim: Kübitler ve ara bağlantı devreleri gibi pek çok bileşeni mümkün olduğu kadar küçültmek kuantum durumunda tutulmalarını kolaylaştırmaz. Bir çip üzerine ne kadar bileşen yerleştirirseniz, sistemin “ısı duvarına” çarpması da o kadar kolay olacaktır. Sonuç: Eşevresizlik. Dolayısıyla, çözüm bu bileşenlerin olabilecek en verimli şekilde birbirine entegre edilmesidir (Yukarıda kısaca bahsettiğim Atom Computing’in yaklaşımı da bu amaca hizmet eder). Dolayısıyla, yeni kübit mimarileri ile bunların izolasyonu için yeni donanımlar geliştirmek kritik önemdedir.
Yazılım Geliştirme (Software Development)
Klasik bilgisayarlarda modern bir CPU (Central Processing Unit), yani milyarlarca mikroskobik transistörün tek bir bilgisayar çipine yerleştirilmesi ile oluşturulan işlemcinin gerekli yazılım araçları olmadan hiçbir işe yaramayacağını söyleyebiliriz. Aynı durum kuantum bilgisayarları için de geçerlidir.
Fakat günümüzde kuantum yazılım geliştirme çalışmaları henüz emekleme aşamasındadır. Q#, Qiskit ve Cirq gibi büyük teknoloji şirketlerinin geliştirdiği çeşitli programlama dilleri mevcut olsa da tüm bu diller mantıksal kapıları (logical gates) belirli bir sıra ile yerleştirmek suretiyle çalışır. Birkaç düzine kapıdan oluşan yazılımlar geliştirmek mümkün olsa da, binlerce hatta milyonlarca kapıdan oluşan yazılımlara ihtiyacımız var ve bu şimdilik (hâlihazırdaki bilgi birikimimiz ve teknolojik ilerlememiz göz önüne alındığında) mümkün gözükmüyor.
Yetişmiş İşgücü
Vurgulamadan geçemeyeceğim. İlk dört maddede bahsettiğim sorunları çözmek için ilk olarak ele almamız gereken konu bu alanda yetenekli beyinler yetiştirmek. Daha önceki yazılarımda da belirttiğim üzere, bu alanda geçmişe göre ciddi ilerlemeler mevcut. Gün geçtikçe daha fazla kuantum hesaplama konusunda çalışan girişimler kuruluyor, birçok ülkede bu alanda eğitim veren yeni lisans ve yüksek lisans bölümleri açılıyor, yayınlar yapılıyor, seminerler düzenleniyor. Fakat hedefimiz evrensel kuantum bilgisayarları üretmek. Bu sayede kişiye özel ilaçlar geliştirmek, karanlık maddenin doğasını anlamak, hava durumunu tam bir kesinlikle bilmek, beynin işleyişini çözmek, zekânın ve bilincin doğasını keşfetmek. Tüm bu hedefler için ise insan kaynağımız hâlâ çok yetersiz.
Yazının başlığını abartılı bulan okuyucular olabilir. Fakat değil. Resmen bir Golyat ordusuyla savaşıyoruz. Pes etmezsek, gelecek yüzyıla kalmadan bu savaşı kazanacağız ve milyonlarca kübitten oluşan hata oranları yok denecek kadar az kuantum bilgisayarları geliştireceğiz. Yeter ki, artan bir şevkle savaşmaya devam edelim.
Gelecek kuantumdur!
