Ekonomist & Araştırmacı Barış Yalın Uzunlu, Fintechtime Mart sayısı için yazdı “Kuantumda Hataya Tahammülümüz Yok”.
Kuantum teknolojileri o kadar kırılgan sistemler ki, doyurucu sonuçlar alabilmek için çalıştıkları ortamın tek kelimeyle “mükemmel” olması şart. Mükemmelden kastım sistemin her türlü dış etkiden izole bir ortam. Teşbihte hata olmayacaksa soğuk, çok soğuk bir hiçliğin içinde.
Kuantumda Hataya Tahammülümüz Yok
Kuantum teknolojilerinde oldukça umut verici gelişmeler var. Birleşmiş Milletler’in 2025 yılını Uluslararası Kuantum Yılı ilan etmesi konunun ne ölçüde ciddiye alındığının apaçık göstergesi. Teknolojiye yatırımlar hız kesmeden devam ediyor. Özel sektörde de doyurucu gelişmeler var, zira her geçen gün daha gelişmiş kuantum işlemcileri haberleriyle karşılaşıyoruz.
Fakat engeller yok mu? Tabii ki var. İşte bu yazı da bu engellerin belki de en büyüğü hakkında: Kırılganlık.
Kuantum teknolojileri o kadar kırılgan sistemler ki, doyurucu sonuçlar alabilmek için çalıştıkları ortamın tek kelimeyle “mükemmel” olması şart. Mükemmelden kastım sistemin her türlü dış etkiden izole bir ortam. Teşbihte hata olmayacaksa soğuk, çok soğuk bir hiçliğin içinde.
Oldukça teknik olsa da nasıl hatalardan bahsettiğimizi kısaca belirtmekte fayda var. Bu tür sistemlerde temelde 3 tip hata görülüyor. Bunlar şu şekilde:
- Bit Kayması: Bir kübitin durumunun ∣0⟩’den ∣1⟩’ye veya tam tersi şekilde değiştiği hataları ele alır. Bu tür bir hata, klasik hesaplamadaki ikili bir bitin çevrilmesine benzer. QEC kodları, mantıksal bir kübiti birden fazla fiziksel kübit boyunca kodlayarak bu hatayı tespit eder ve düzeltir.
- Faz Kayması: Süperpozisyon durumundaki fazın değiştiği bir kübit durumunun göreli fazındaki hatalarla ilgilenir. Bu tür bir hata kuantum hesaplama sistemlerine özgüdür ve durumu çökertmeden doğrudan ölçülemez. Faz kayması hatalarını tespit etmek ve düzeltmek için faz bilgisi birden fazla kübitte yedekli olarak kodlanır.
- Bit-Faz Kayması: İki hatanın da bir arada görüldüğü durum. Shor kodu gibi gelişmiş kuantum hata düzeltme kodları, mantıksal kubiti tüm yaygın kuantum hata türlerinden koruyacak şekilde kodlayarak bit-faz çevirme hatalarını düzeltmek için tasarlanmıştır.
Kuantum hata düzeltmede en sık kullanılan yöntem birden fazla kübitin birleştirilerek bir mantıksal kübit oluşturulması. Birden fazla derken, genel kanı tek bir mantıksal kübit için ortalama 1,000 kübit gerektiği yönünde. Gürültü ne kadar fazlaysa, gereken kübit sayısı da o kadar artıyor. Düşünün, bu alanda 1,000 kübit barajı aşılalı yalnızca iki sene oldu. Hepsini toplasak, tek bir mantıksal kübit ediyor. Bizim bunların yüzlercesine ihtiyacımız var.
Peki kuantum hata düzeltme neden bu kadar zor? Bunun birden fazla sebebi var. İlki, yüksek kaynak gereksinimi. Hem çok sayıda kübite ihtiyacımız var, hem de verimli kodlar geliştirecek kadar zeki insan kaynağına. İkincisi düzeltme sırasında yeni hataların ortaya çıkma ihtimali. Hatalı kapılar (quantum gates) oluşturulması, yanlış ölçümler yapılması veya hata tespiti sırasında zamanlama gecikmeleri yeni hatalar yaratabilmektedir.
Peki büyük şirketler bu konuda neye odaklanıyor? İşte bu alandaki bazı önemli gelişmeler:
- Yakın zamanda bu alanda en büyük gelişmelerden biri Google cephesinde yaşandı. Google, yeni tanıttığı Willow çipi ile kübit sayısı arttıkça hata oranlarının düştüğünü ispatladı. Bu çalışmanın önemi şurada: Konu deneysel çalışmalardan çıkıp gerçek dünya hakkında problemleri çözmeye geldiğinde, neredeyse mükemmel çalışan yüzbinlerce, hatta milyonlarca kübite ihtiyacımız olacak. Aradaki farkı şöyle açıklayabiliriz: 21 sayısını faktörlerine ayırmak görece kolay, ama gerçek hayatta şifrelemenin temeli onlarca basamaklı sayıların faktörize edilmesi üzerine kurulu. Şimdi bir de 10 basamaklı bir sayıyı asal çarpanlarına ayırmayı deneyin, mesela 4,950,051,853’ü. Tabii ki bilgisayar kullanmadan. Peki ya yüzlerce basamağı olursa?…
- 2017 yılında Avustralya’da kurulmuş Q-CTRL şirketi kuantum hata düzeltmeye yeni bir boyut getirdiğini iddia ediyor. Şöyle: Önce sisteme ekstra kübitlere ihtiyaç duymadan kübitleri gürültüye karşı koruyan bir yazılım, yani “quantum firmware” ekliyorlar. Bunu kuantum hata düzeltmenin bir tamamlayıcısı olarak düşünebiliriz. Sonra da, “dynamic stabilization” adı verilen bir teknikle kübitleri sürekli doğru şekilde döndürerek gürültüye bağışıklı hale getiriyorlar. Peki çalışıyor mu? Görünüşe göre evet, zira şirket bulut kuantum bilgisayarlarda 10 kata kadar varan iyileşmeden söz ediyor.
- 2024 Mart’ında bu alanda önde gelen şirketlerden biri olan IBM eski yöntemlerden 10 kat verimli olduğunu iddia ettiği ve “Gröss code” adını verdiği yepyeni bir kuantum hata düzeltme kodu geliştirdiğini duyurdu. Bu kodu kullanarak, toplam 288 kübit ile bir milyon hata döngüsünün kontrolünü sağlayacak 12 mantıksal kübitin korunabileceğini açıkladılar.
- Microsoft, topolojik kübit denilen yepyeni bir kübit türünün kırılganlık sorununu çözeceğini düşünüyor. Henüz tamamen teorik olsa da, şirket bu konuda çalışmalarını sürdürüyor. Oldukça teknik olan konunun detaylarını merak eden okuyucular Microsoft tarafından yazılan blog yazısına göz atabilirler.
Kuantum sistemlerinin dünyevi sorunlarımızı çözeceği bir gelecek hayal ediyorsak, bu sistemlerin mükemmel (ya da en azından mükemmele yakın) çalıştığından emin olmalıyız. Günümüzde hala bu mükemmellikten çok uzağız. Fakat hata düzeltme probleminin sektörde irili ufaklı pek çok şirket tarafından ciddiye alınması son derece olumlu bir gelişme. Bu alana gösterilen ilgi devam ettikçe umutsuzluğa kapılmak için hiçbir sebep yok. Ben açıkçası çok da uzak olmayan bir gelecekte bu problemin tamamen çözüleceğine inanıyorum.
