Kuantum hesaplama; bilimde, hayat kurtaracak ilaçlarda, hastalıkların erken teşhis tanı teknikleri için makine öğrenmesinde, daha etkili cihazlar ve yapılar kurmayı sağlayacak malzeme yapımında, daha iyi bir emeklilik yaşamı için finansal stratejiler oluşturma gibi birçok sosyoteknik alanda yeni atılımları teşvik edebilir. Peki, kuantum hesaplama tam olarak nedir? Ve bu kuantum atılımlarını gerçekleştirebilmek  için neleri başarmak gerekiyor?

Tümüyle yeni bir hesaplama

Klasik hesaplamanın faydalarını hergün yaşıyoruz. Bununla birlikte bugünkü sistemlerin asla çözemeyeceği bazı problemler var. Belli bir büyüklük ve karmaşıklık seviyesinin üzerindeki problemler söz konusu olduğunda, Dünya bunlarla başa çıkacak yeteri hesaplama gücünden yoksun. Bu sorunlardan bazılarını çözmek için yeni bir hesaplama türüne ihtiyacımız var. Evrensel Kuantum Bilgisayarlar (EKB), kuantum bit ve kübit sayılarıyla üstel olarak artan kuantal durumlara yol açan süperpozisyon ve dolanıklılığı bir manivela olarak kullanır.

Kuantum hesaplamanın temelleri

Bütün bilgi-işlem sistemleri, temel depolama ve veri işleme yeteneğine dayanırlar. Mevcut bilgisayarlar, veriyi 0 ve 1 şeklindeki ikili durumlarda depolayan tekil bitleri işlerler. Kuantum bilgisayarlar ise veri işlemek için kuantal fenomenlerden yararlanırlar. Bunu kuantum bit ve kübitleri ile yaparlar.

Kuantum bilgisayarın içi

Kübit oluşturmanın birkaç farklı yolu vardır. Yöntemlerden birinde kuantum durumu oluşturmak ve sürdürmek için süperiletkenlik kullanılır. Bu süperiletken kübitlerle uzun süre çalışabilmek için sistemin çok soğuk tutulması gerekir. Sistemde minicik bir ısı hataya neden olabilir. Bu yüzden kuantum bilgisayarlar uzaydan daha soğuk, mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda çalışır. 2 binden fazla bileşenden yapılan bir kuantum bilgisayarındaki seyretlme buzdolabının, içindeki kübitler için bu kadar soğuk bir ortamı nasıl oluşturabildiğine bir göz atalım.

Buraya nasıl geldik?

Bugün gerçek kuantum işlemcileri dünyanın dört bir yanındaki araştırmacılar tarafından çeşitli alanlardaki uygulama algoritmalarını test etmek için kullanılıyor.

1927: Kesinsizlik ilkesi

Alman fizikçi Werner Heisenberg, kesinsizlik ilkesini ortaya atıyor. Bir aynı anda kuantum parçacığıyla ilgili her şeyi bilemezsiniz. Konum hakkında ne kadar çok şey bilirseniz momentum hakkında o kadar az şey bilirsiniz, tersi de geçerlidir.

197o: Kuantum bilişimin kuramı

Stephen Wiesner ve Charlie Bennett (ki o zamanlar Haward’da yüksek lisans öğrencisiydi) arasındaki tartışmalardan alınan notlar, kuantum bilişim kuramı ifadesinin ilk kullanımını içerir. Bu notlar, dolanıklılığın bir iletişim kaynağı olarak kullanılabileceğini söyler; 1992’de Wiesner ve Bennet  tarafından yayınlanan süper yoğun kodlama ilkelesini de tasvir eder.

1981: Aşağıda bolca yer var

Nobel ödülü sahibi Richard Feynman, MIT ve IBM’in ev sahipliği yaptığı bir konferansta yaptığı ve “Aşağıda bolca yer var” başlığını taşıyan bildirisinde, bir grup bilgisayar bilimcisini kuantum fiziğine dayalı yeni bir bilgisayar türü geliştirmeye davet etti (Bildirinin Türkçesi burada). Neredeyse 40 yıldan beri dünyanın çeşitli yerlerindeki bilim insanları bu görevi tamamlamaya çalışıyorlar.

1994: Shor’un faktör algoritması

MIT’den Peter Shor, kuantum bilgisayarda bir sayıyı kesin olarak asal sayı çarpanlarına ayırmanın mümkün olduğunu gösteriyor. Sayıları asal çarpanlarına ayırma, klasik bilgisayarların büyük sayıları çözerken “katlanarak artan miktarda uzun bir süre” gerektiren bir problem. Shor’un algoritması, kuantum hesaplama alanında teorik ve deneysel ilgi patlaması başlattı.

1995: Kuantum hata düzeltme

Kuantum hata düzeltme, IBM de dahil olmak üzere dünyanın dört bir yanındaki çeşitli grupların çalışmalarına dayanır. Teori, çevresel gürültüye karşı koruma sağlamak için küçük bir fazlalık kullanmanın mümkün olduğunu göstermektedir. Kuantum düzeltme teorisi, kuantum hesaplamanın fiziksel olarak gerçekleştirilmesini önemli ölçüde daha makul hale getirdi.

1996: DiVincenzo kriterleri

IBM araştırmacısı David DiVincenzo, bir kuantum bilgisayar oluşturmak için beş minimum gerekliliğin ana hatlarını çizdi:

1997: Topolojik kodlar

Yüzey kodu olarak bilinen ilk topolojik kuantum hata düzeltme kodu, California Teknoloji Enstitüsü profesörü Alexei Kitaev tarafından önerildi. Bu yüzey kodu şu anda ölçeklenebilir, hataya dayanıklı bir kuantum bilgisayarı gerçekleştirmek için en umut verici platform olarak kabul ediliyor.

2001: Deneysel faktörleme

Shor’un algoritması, çok basit bir sorunu (15 = 3×5) olmasına rağmen ilk kez gerçek bir kuantum hesaplama deneyinde gösterildi. Bir IBM sistemi, MRI makinesine benzer şekilde nükleer spinlerde kübit kullandı.

2004: QED Devresi

Robert Schoelkopf ve Yale Üniversitesi’ndeki arkadaşları, bir çip üzerindeki bir foton ve yapay bir kuantum nesnesinin etkileşimini incelemenin bir yolu olan QED devresini icat etti. Çalışmaları, sistemler ölçeklenmeye devam ettikçe süper iletken kübitlerin birleştirilmesi ve okunması için standart oluşturdu.

2007: Transmon süperiletken kübit

Schoelkopf ve çalışma arkadaşları, uzun süreli uyuma büyük bir engel teşkil eden şarj gürültüsüne karşı, azaltılmış hassasiyete sahip bir tür süper iletken kübit icat ettiler. Süperiletken kübit, IBM de dahil olmak üzere birçok süper iletken kuantum grubu tarafından benimsenmiş durumda.

2012: Eşevreli zaman gelişmesi

Transmon kübitlerle kuantum bilgi işleme için birkaç önemli parametre geliştirildi. IBM, bir kübitin kuantum durumunu muhafaza ettiği süre olan eş evrelilik süresini 100 mikrosaniyeye kadar uzatmayı başardı.

2015: [[2,0,2]] Kodu

IBM kuantum ekibi, en küçük kuantum hata algılama kodunu gösteren bir deney gerçekleştirdi. Stabilize tek bir kuantum durumu ile her iki tür kuantum hatasını da tespit etmenin mümkün olduğunu gösterdiler: i) Bit çevirmeleri ve ii) Faz çevirmeleri. Kod, gelecekteki kuantum hesaplama sistemleri için bir yapı taşı görevi gören 4 kübitlik bir blok düzenlemesinde gerçekleştirildi.

2016: IBM Quantum Cloud Servislerinde kuantum hesaplama

IBM bilim insanları, IBM Cloud aracılığıyla sağlanan ve masaüstü veya mobil aygıtlar tarafından erişilebilen türünün ilk örneği bir kuantum bilgi işlem platformu olan IBM Quantum Experience’ı oluşturmaya başladılar. Yeni çalışma; kullanıcıların IBM’in kuantum işlemcisi üzerinde deneyler yapmasına, bireysel kübitlerle çalışmasına ve kuantum hesaplamanın harika olasılıklarının öğretici ve simülasyonlarını keşfetmesine olanak tanıyor.

2017: Üç önemli adım atıldı

Sığ devreli kuantum avantajı: Ekim 2017’de Science dergisinde, gelecekteki kuantum algoritmalarının gelişimine rehberlik edecek önemli bir matematiksel formül yayınlandı. Kuantum hesaplamanın temelinde sağlam ve gerekli bir tuğla olarak kabul edilen bu formül, Shor’un algoritmasından farklı olarak, bir kuantum bilgisayarın belirli sorunları, artan girdi ne olursa olsun her zaman sabit sayıda adımda çözebileceğini kanıtlıyor. Bu anaynı zamanda simülasyon bariyerinin aşılması anlamına geliyor.

Dev kimya simülasyonu: Eylül 2017’de, Nature dergisinde, IBM’de çalışan bilim insanları, bir kuantum bilgisayarda kimyayı simüle etmek için yeni bir yaklaşıma öncülük etti. Bugüne kadarki en büyük molekülü – Berilyum hidrür (BeH2) – bir IBM kuantum işlemcisi üzerinde simüle edebildiler ( Buraya tıklayarak izleyebilirsiniz.)

IBM Quantum bilgisayarın piyasaya sürülmesi: Ticari olarak temin edilebilen evrensel kuantum hesaplama sistemleri oluşturmak için ilk endüstri girişimi açıklandı. IBM Quantum sistemleri, şu anda doğası gereği klasik bilgi işlemin üstesinden gelemeyeceği kadar karmaşık ve deneysel sorunların üstesinden gelmek için tasarlanacak. IBM bununla kuantum hesaplamanın uygulanabilirliğini ve endüstrilerdeki faydasını göstermek istiyor.

2019: IBM Q System One’ın piyasaya sürülmesi

Kuantum bilgisayarları daha güvenilir ve kararlı hale getirmek için IBM Quantum, ticari kullanım amaçlı dünyanın ilk entegre kuantum bilgi işlem sistemini oluşturdu: IBM Q Sistem 1, evrensel yaklaşık süper iletken kuantum bilgisayarların ilk kez araştırma laboratuvarının sınırları dışında çalışmasını sağladı.

Çeviren: Şevki IŞIKLI

Kaynak: https://www.ibm.com/quantum-computing/what-is-quantum-computing/