Kuantum Bilgisayar Devrimi >> Fizikçiler ilk kez bir atomun yerini tam olarak tespit etti

Bu ne işe yarıyor derseniz hemen söyleyelim: Kuantum bilgisayarlar atom ölçeğinde çalışıyor ve elektronlarla fotonlar gibi süper hassas parçacıklarla işlem yapıyor. Öyle ki bilgisayara bir problem verip çıktısını almak bile bilgisayarı bozuyor!

Tek çare atomları tek tek kontrol eden süper hassas kuantum bilgisayar yapmak: Fizikçiler bunu başardı ve bugünkü analog kuantum bilgisayarların yerini alacak dijital kuantum bilgisayarların önünü açtı. Nasıl yaptıklarını birlikte görelim.

Kuantum bilgisayar PC kadar küçülecek

Avustralyalı fizikçiler silikon kristalinin içine yerleştirdikleri tek bir atomun kesin yerini elektron mikroskobuyla bulmayı başardı. Bu sayede ileride PC’ye benzeyen silikon tabanlı bir kuantum bilgisayar geliştirebilecekler. Amaçları dünyanın en düzgün çalışan kuantum bilgisayar mimarisini tasarlamak.¹

Ne gerek var derseniz kuantum bilgisayarların nasıl çalıştığını hem Popular Science Türkiye dergisinde hem de blogda anlatmıştım. Ancak şu kadarını söyleyebilirim: Kuantum bilgisayarlar atomlar ve parçacıklarla çalışıyor. Bunlar da son derece hassas. Öyle ki sistemi neredeyse mutlak sıfıra kadar (-273 derece) soğutmak gerekiyor.

Bu sebeple kuantum bilgisayarlar oda kadar büyük, sıvılaştırılmış gazdan oluşan dev soğutma üniteleri var ve çok elektrik tüketiyorlar.

İlgili yazı: IBM Kuantum Çip Yaptı >> İnternette üniversitelerin kullanımına açtı

 

Kısacası laptop gibi taşıyamazsınız

Ancak, bugünkü PC’lerde olduğu gibi silikona devre basarak kuantum bilgisayar üretirsek bunu yanınızda tablet gibi taşıyabilirsiniz. İşte bu yüzden fizikçilerin tek bir atomun yerini kesin olarak tespit etmesi kuantum bilgisayarda devrim yapmaktır dedim.

Sonuçta atomlarla işlem yapıyorsanız atomların yerini, durumu bozmadan onlara veri kaydedip silmeniz gerek. Heisenberg’in belirsizlik ilkesi nedeniyle bir atomu bozmadan onda veri depolamak çok zor. Bu sebeple bilim insanları aşağıda anlatacağım gibi türlü cambazlık yapıyorlar.

Hem de ne cambazlıklar!

Fizikçiler mikroskopla yerini tespit edecekleri atomu masanın üstüne koymadılar. Böyle yapsalardı hava molekülleri atomun yerini ve kuantum durumunu değiştirerek taşıdığı veriyi bozardı. Araştırmacılar bunu önlemek için odadaki havayı boşaltıp vakumda çalışsa bile, bu kez de atomu görüntülemekte kullandıkları mikroskobun ucu atomu yerinden oynatırdı.

İlgili yazı: İnternetinizi uçuracak en iyi 10 modem

 

Atomu kafese kapatmak

Bu durumda en iyi yöntem atomları dünya gözüyle görmek yazımda anlattığım gibi atomu kafese kapatmak. Fizikçiler de bunu yaptılar. Söz konusu atomu bir silikon kristalinin içine yerleştirdiler. Böylece mikroskopla kristale dışarıdan dokunduklarında atomu yerinden oynatmadan görüp yerini tespit edebileceklerdi.

Avustralya Yeni Güney Galler Üniversitesi (UNSW) ekibi bunun için atom çözünürlüğünde çalışan bir taramalı tünel mikroskobu kullandı (STM). Resimde görebileceğiniz gibi bu da oda büyüklüğünde bir mikroskop, ama daha küçük dijital kuantum bilgisayarlar geliştirmeye gittikçe yaklaşıyoruz.

UNSW’den Dr. Juanita Bocquel deneyi anlatırken heyecanını gizleyemiyor: “Silikon yüzeyin altındaki fosfor ve arsenik atomlarını tek tek görebildik, yüksek çözünürlüklü görüntülerini elde edebildik.”

 

Neden fosfor ve arsenik?

Arsenik tarihimizde kralları ve padişahları zehirlemekte kullanılır. Hatta Fatih Sultan Mehmet’in arsenik kurbanı olduğunu söyleyenler var. Peki kuantum bilgisayarda arsenik kullanmak zararlı değil mi?

Aslında değil, çünkü dozu önemli. Unutmayın, kuantum bilgisayarlar her seferinde birkaç atomla çalışıyorlar. Gönül isterdi ki bir trilyon atomla çalışsınlar, ama dediğim gibi atomlar çok hassas ve o kadar atomu birbirine bağlayıp işlem yapmak çok zor. Yazının devamında anlatacağım üzere, şirketler sırf bu yüzden ticari hayatta dijital kuantum bilgisayar kullanamıyor.

İşin ilginci, arsenik ve fosfor kuantum bilgisayarlardaki bilgi-işlem birimleri olan kuantum bitler (qubit) oluşturmaya çok uygun. Kuantum bitler aynı anda hem 1 hem 0 hem de ara değerler alabildikleri için kuantum bilgisayarın paralel olarak çalışmasını ve aynı anda milyonlarca işlem yapmasını sağlıyor (bugün yüzlerce). Kuantum bilgisayarların potansiyel açıdan süper hızlı ve güçlü olması bu yüzden.

İlgili yazı: İnternette teknik takip ve gözetimi önleme rehberi

 

Kuantum kusursuzluk

Kuantum fiziğiyle ilgili bir doğru varsa o da fiziksel açıdan kusursuzluk elde etmenin imkansız olduğu. Heisenberg’in belirsizlik ilkesi yüzde 100 kesin ölçümler yapmayı engelliyor. Buna rağmen bilim insanları bir atomun yerini kesin olarak tespit edebildiler.

Bu küçük hileyi veya cambazlığı silikon kristaline borçluyuz. Kristal içindeki atomları ölçüm sırasında bozulmadan korudu. Şimdi bugünkü gibi elektronlar yerine kristaller ve fiber kablolarla çalışan optik kuantum bilgisayarlar geliştirdiğimizi düşünün.

Atomları silikon kristallerin içine hapsederek bunu yapabiliriz. Böylece oda sıcaklığında elektrik ve ışıkla çalışan pratik kuantum bilgisayar üretebiliriz.

 

Kuantum gürültüsünü azaltmak

Kuantum dünyası atom ölçeğinde gürültüyle dolu, çünkü atomlar mikroskobik ölçüde rastgele titreyerek yer değiştiriyor ve bir saniye sonra ne yapacaklarını tam olarak bilemiyoruz. Bu kafesteki atomlar için de geçerli.

Mikroskop kullansak bile görüntüyü (sinyali) miyop bakışı gibi bulandıran bir parazit, gürültü var. Bilim insanları net görüntüler elde etmek için de cambazlık yaptılar.

Juanita Bocquel diyor ki “Görüntülerde hiçbir şekilde anlam veremediğimiz karmakarışık simetri çizgileri vardı. Ancak, kuantum durumu ortamını teorik modelleri hesaba katarak sadeleştirdiğimiz zaman ne gördüğümüzü anlayabildik!”

İlgili yazı: Her Şeyin Teorisi >> Sicim teorisi & halka kuantum kütleçekim kuramı birleşiyor mu?

 

Dalga fonksiyonunu gördüler

Kuantum fiziğinde atomlardaki belirsizlik dalga fonksiyonu formülüyle gösteriliyor. Bu bir fotonun yüzde 70 olasılıkla sağdan ve yüzde 30 olasılıkla soldan gideceğini öngörmemizi sağlıyor. Hangi olasılığın gerçekleşeceğini bilmiyoruz; ama fizikçe Brian Greene’le yaptığım Twitter sohbetinde söylediği gibi “Olasılıkları kesin olarak hesaplayabiliyoruz”.

Eh siz de mikroskopla atom dünyasına bakarsanız ve görüntüyü netleştirmeyi başarırsanız elektronların belli belirsiz hareketlerini kontrol eden dalga fonksiyonunu elektronların izlediği olasılık dalgalarına bakarak dolaylı yoldan görebilirsiniz:

“STM görüntüleri o kadar ayrıntılıydı ki silikon yüzeyi delerek taramalı tünel mikroskobunun ucuna değen elektron dalga fonksiyonu iplikçilerini bile görebildik. İşte bu yüzden elimizdeki son görüntülerin atomun yerine işaret ettiğini söyleyebiliyoruz.”

Juanita Bocquel basitçe elektronun dalga fonksiyonunu net göremeseniz bile mikroskobun ucuyla etkileşime geçerek atomun yerini gösteren o elektronun silikon kristalin altında nereden çıktığını görebilirsiniz diyor.

 

26 milyon dolarlık proje

Avustralyalılar bunu nasıl başardı sorusu zihninizi kurcalıyorsa İTÜ 2016 toplam bütçesinin üniversite gelirleriyle birlikte 450 milyon TL olduğunu belirtelim (yaklaşık 150 milyon dolar). Oysa Avustralyalılar sadece bu proje için 26 milyon TL almışlar. Kısacası para konuşuyor arkadaşlar.

Dijital kuantum bilgisayar yok

Kuantum bilgisayar, hatta bilgisayar deyince aklımıza hep dijital bilgisayar geliyor. Peki, bugün elimizde üniversite laboratuarlarıyla sınırlı deneysel sistemlerin dışında hiç dijital kuantum bilgisayar olmadığını biliyor muydunuz? Artık biliyorsunuz.

Atomların yerini tek tek tespit eden Avustralyalılar bir gün tümüyle dijital olan, yani Google’ın satın aldığı D-Wave analog kuantum bilgisayarlardan binlerce kat hızlı olan yeni kuantum bilgisayarlar geliştirilmesini sağlayacak (Ticari amaçlı D-Wave 2 çözümü şimdiden NASA ve Google için çalışıyor).

İlgili yazı: Evren Bir Simülasyon mu? >> Elon Musk, Matrix dünyasında yaşıyoruz dedi

 

Niye yok?

Yukarıda belirttiğim gibi atom dünyası çok hassas için olduğu henüz ticari dijital kuantum bilgisayar üretemedik; ama okurlarımın böyle basit cevaplarla tatmin olmadıklarını ve detaylı cevaplar istediklerini biliyorum. O zaman anlatalım.

Bir yanda laboratuarlardan henüz dışarı çıkamayan dijital kuantum bilgisayarlar var. Diğer tarafta analog kuantum bilgisayarlar veya teknik adıyla analog adiyabatik kuantum bilgisayarlar.

 

Kuantum dedikodu

Dijital sistemler yeri iyi bilinen atomlardan oluşan yüksek çözünürlüklü qubitlerle çalışıyor. Öyle ki bu tür bir bilgisayar problem çözerken tek tek hangi işlemi yaptığını görebiliyoruz.

Analog bilgisayarlardaki qubitlerin ise sadece başlangıç durumunu biliyoruz. Ancak bilgisayar çalışırken hangi qubitle ne işlemi yaptığını bilmiyoruz. Bu anlamda analog kuantum bilgisayar kapalı kutu gibi. Bize çıktı verene kadar nasıl çalıştığını göremiyoruz.

Hatta birçok fizikçi “Kendinizi kandırıyorsunuz, analog kuantum bilgisayarlar aslında sıradan bilgisayardır. Siz kuantum bilgisayar ürettik sanırken, onlar sıradan bilgisayar gibi çalışan kapalı kutudur” diyor. Nitekim Google sırf D-Wave’in gerçek kuantum bilgisayar olduğunu göstermek için bilimsel makale yayınladı ve “Benim bilgisayarım klasik bilgisayarlardan 100 milyon kat hızlı” dedi.

İlgili yazı: Asteroitten Uzay Gemisi Olur mu? >> Arthur C. Clarke’ın RAMA romanı gerçek oluyor

 

Neden analog?

Açıkçası analog kuantum bilgisayar yapmak dijital kuantum bilgisayar yapmaktan çok daha kolay. Bir kere 512 bit yerine 1024 bitlik işlemciler üreterek, yani her seferinde iki kat güçlü işlemci imal ederek analog kuantum bilgisayarları kolayca ölçekleyebiliyorsunuz.

Bununla birlikte çok büyük bir dezavantajı var: Analog sinyalle çalıştığı için çok parazit yapıyor. Örneğin, 1024 qubit ile 2¹⁰²⁴ gibi muazzam bir işlem kapasitesi olmasına rağmen biz bunun ancak çok küçük bir kısmını kullanabiliyoruz; çünkü 1024 qubitin hepsini birbirine bağlayamıyoruz (birbiriyle dolanıklığa sokamıyoruz).

O kadar elektronu birbirine bağlarsak sinyal parazit yapıyor ve bilgisayar 2 + 2 = 4 diyeceğine bizim politikacılar gibi 5 diyor. Bir de üstüne benden iyisini mi bileceksin diye soruyor!

 

Engelli bilgisayar

Öyle olunca da analog kuantum bilgisayarlar topal kalıyor. Olması gerekenden daha yavaş çalışıyor ve sadece belli bazı problemleri çözebiliyor.

Google bu yüzden sadece D-Wave 2 analog kuantum bilgisayarın klasik bilgisayarlardan daha hızlı çözebileceği özel matematik soruları sordu. Böylece D-Wave’in gerçekten kuantum bilgisayar olduğunu kanıtlamaya çalıştı.

İlgili yazı: Ay Nasıl Oluştu? >> 10 soruda Ayın karanlık yüzü ve uydumuz hakkında şaşırtıcı gerçekler

 

Kuantum halkalayıcı

Bu bir espri değil. Analog kuantum bilgisayarlar spin aşağı ve spin yukarı durumdaki elektronları bir halka üzerinde birbirinin tersi yönde döndürerek eşleştiriyor. Böylece elektronları dolanıklığa sokup qubitler oluşturarak işlem yapıyor.

Bunlara kuantum halkalayıcı deniyor ama illa şiirsel karşılık istiyorsanız “kuantum tavlayıcı” da diyebilirsiniz. Demir tavında dövülür misali, süper ince telden üretilen bu mikroskobik halkalar elektronları tavlayıp qubit durumlarına (dolanıklığa) sokuyor.

 

 

Mahalle baskısı

Analog kuantum bilgisayarların dertleri saymakla bitmiyor. Bunlar analog olduğu için qubitler sadece kendilerine en yakın qubitlerden etkileniyor. Siz de işlem yapmak için elinizde bir torba misket (elektron) olduğunu düşünün.

Bunları bir kutuya boşaltıyorsunuz. Her elektron yanındaki elektrondan etkileniyor. Böylece elektronlar üzerinde bir tür mahalle baskısı oluşuyor. Bu da kuantum bilgisayarın işlem yapmasını engelleyen ikinci bir parazit oluşturuyor.

Örneğin siz elektrona 2 kere 2’yi çarp diyorsunuz; ama o “Yok abi, arkideş yakinim. 3 + 4 yapacağım ben” diyor. Bu sebeple analog bilgisayarı işlem yaparken sürekli kontrol edip hataları düzeltmeniz gerekiyor. Ömür törpüsü!

D-Wave Teknoloji Direktörü Geordie Rose’un dediği gibi “İşte bu yüzden tüm qubitleri birbirine bağlamıyoruz. Sadece en yakın arkadaşlarına bağlıyoruz. Yoksa ilgili qubite uzak olan qubit bağlantılarının sinyali zayıflayacağından, sistem ortam gürültüsünden etkilenir”. Bunu yapınca işlem hızı ve kapasitesi düşüyor, ama hiç değilse parazit oluşmuyor. Böylece bilgisayar doğru hesap yapıyor.

İlgili yazı: İlk Temas >> Uzaylılar dünyayı ziyaret eder veya sinyal gönderirse nasıl anlaşacaksınız?

 

Dijital kuantum bilgisayar

Dijitalde sorun yok. Bir kere sistem her bite bir piksel atar gibi çalışıyor; yani matematik işlemi yapmak için gereken her mantık kapısının bir qubit karşılığı var.

Elbette sinyal paraziti yine etkili, ama bu kez kuantum halkalayıcı yerine dijital sistemler kullanıyorsunuz. Böylece tüm qubitleri birbirine bağlayabiliyorsunuz. Hatalı qubit işlemlerini sayı üstünlüğü ile sağlama yaparak düzeltebiliyorsunuz!

 

Daha ne duruyoruz?

Hemen dijitale geçelim! Maalesef bu iş devlete sırtını dayamış hantal firmaların dijital dönüşüme geçmesi gibi zor bir şey. Dijital kuantum bilgisayarlar o kadar hassas ki neredeyse 4 km uzaktan üfleseniz bozuluyor.

Bu yüzden bütün qubitleri birbirine dijital bağlasak bile sistem hassasiyeti artığı için bu sefer de çok az qubitle çalışabiliyoruz. Mesela analog bağlantılı D-Wave kör topal 1024 qubitle çalışırken dijital versiyonlar 10-14 qubitle çalışıyor.

Kısacası NASA’nın D-Wave 2’den istediği şekilde, bir roketin yörüngesini hesaplamak gibi karmaşık işlemleri yapamıyor.

İlgili yazı: Telepatik İnternet >> İnsanlar arası düşünce transferine hazır mısınız?

 

Yok mu kardeşim bunun orta yolu?

Var. Her ne kadar hakikat her zaman iki zıttın arasındadır önermesi mantıksal bir safsata olsa da bu kez halkın sağduyusu geçerli. Gerçekten de analog ve dijital kuantum bilgisayar parçalarını birbirine bağlayıp güçlü ve hızlı bilgisayarlar yapabiliriz.

Şöyle düşünün: Sonbaharda meclise gittiniz. Biliyorsunuz meclis bu mevsimde sıcak havayla doludur. Ya milletvekilleri hava basar ya da bildiğiniz gaz kaçırır. Her durumda meclisteki oksijen ve metan gazı oranını ölçmek isteyebilirsiniz. 🙂

Diyelim ki elinizde analog analiz cihazı var (bu analog kuantum bilgisayar olsun). Bununla meclisteki gaz türü ve miktarını ölçüyorsunuz. Ardından ölçüm sonuçlarını fiber internet üzerinden dijital olarak ev bilgisayarına yolluyorsunuz (bu da dijital kuantum bilgisayar).

Ölçüm zor iş. O yüzden daha güçlü olan analog kuantum bilgisayar kullanıyorsunuz. Veriyi iletmek ise daha hassas iş, ama bunun için o kadar güçlü bilgisayara gerek yok. Böylece eve veri aktarımı için de dijital kuantum bilgisayar kullanıyorsunuz. İşte size çözüm.

 

 

Karma kuantum bilgisayar

Kaynaklar kısmında görebileceğiniz gibi oldukça kalabalık bir fizikçi grubu Nature dergisinde yayınladıkları bir makalede tam da bunu yaptıklarını ve karma kuantum bilgisayar yaptıklarını söyledi.²

Ancak belki de yarın öbür gün patentini alır ve satıp para kazanırız diye bunu nasıl yaptıklarını tam olarak açıklamadılar. Örneğin qubitleri analog ve dijital fazlarda birbirlerine nasıl bağladıklarını söylemiyorlar. Yine de yazdıkları genel bir fikir veriyor.

Sistemde 4 analog qubit var. Analog qubitleri dijital olarak bağlamak için her bağlantıda 48 kontrol qubiti kullanıyorlar (hataları düzeltmek için). Her link (fiber kablo gibi düşünün) birbiriyle dolanık 5 qubitten oluşuyor.

Böylece 159 qubitlik bir karma kuantum bilgisayar yapmış oluyoruz. Ancak bunun işlem gücü sadece 4 qubit; yani D-Wave 2 gibi 2¹⁰¹⁴ değil de 2⁴ qubit, ama olsun! Bir yerden başlamak lazım. Hatta şimdiden 2⁹ qubitlik işlem gücü için 1000 hata düzeltici qubit kullanan sistem tasarlamışlar.

İlgili yazı: Telepatik Takı Prose >> Sen aşkını düşün o kalbinden geçenleri sevgiliye mesaj atsın

 

Arap saçı

Her qubitin mahalle baskısı (parazit) nedeniyle en yakındaki qubit arkadaşlarından etkilendiğini hatırlayın. Bu nedenle fizikçiler deneysel karma kuantum bilgisayar için qubitleri birbiriyle doğru şekilde eşleştiren ve yanlış işlem yapmayı önleyen muazzam bir mühendislik çalışması gerçekleştirmişler.

Öyle ki sistem elle dikiş yapan terziler gibi çalışıyor. Qubitleri ikişer üçer birbirine bağlıyor, yanlış bağlantıları tek tek çözüp yeniden bağlıyor ve bir matematik işlemi yaparken bu işi yüzlerce kez tekrarlıyor.

 

Nasıl yani?

Parti kafasıyla: Diyelim ki kalabalık bir partidesiniz ve siz bir qubitsiniz! Ortam loş, sigara dumanı ve alkol var. Civarınızda dikkatinizi dağıtacak güzel kızlar ve hoş çocuklar bulunuyor. Buna rağmen sosyalleşmeyi bırakıp ayakta dans eden insanlara rağmen karşınızdaki arkadaşınıza bir şey söylemeniz gerekiyor.

Yüksek sesle müzik çaldığı için konuşamıyorsunuz ama el işaretiyle analaşabilirsiniz. Yalnız arada ayakta dans edenler olduğu için ya ikiniz de ayağa kalkıp el işareti yaparken birbirinizi göreceksiniz ya da ikiniz de koltuğa oturup dans edenlerin arasından birbirinize bakacaksınız.

Karma kuantum bilgisayarın hata düzeltici kuantum bitleri de böyle çalışıyor. Hatta gerekirse partide dans edenleri kibarca kenara itiyor ve açılan boşlukta birbirinizi görerek işaret diliyle anlaşmanızı kolaylaştırıyor.

İlgili yazı: Hyundai Giyilebilir Robot Üretti >> Dış iskelet ile süper işçi çağı başlıyor

 

Toparlayacak olursak

İşte bu yüzden Avustralya Yeni Güney Galler Üniversitesi’nde çalışan fizikçilerin elektron mikroskobuyla bir atomun yerini kesin olarak tespit etmesi önemli. Partideki güzel kızı kibarca kenara itmekle sarhoş serseriyi kenara iteyim derken kavga çıkarmak gibi bir farktan söz ediyoruz.

Atomları tek tek kontrol etmenin pratik, hızlı, güvenli ve ucuz bir yolunu bulursak oda sıcaklığında ışıkla çalışan ve laptop gibi yanımızda taşıyabileceğimiz küçük optik kuantum bilgisayarlar üretebiliriz.

Ben kuantum bilgisayar yazmaya başladığım zaman bunlar laboratuardaki hantal aletlerdi. Şimdi NSA kuantum bilgisayarla internetteki tüm şifreleri kırma peşinde. NASA da Mars’a gidecek roketlerin rotasını hesaplamak istiyor. Peki büyük veri ustası IBM neyin peşinde? Hemen okuyun!

¹http://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/world-first-approach-help-design-more-accurate-quantum-computing-architecture
²Digitized adiabatic quantum computing with a superconducting circuit — R. Barends, A. Shabani, L. Lamata, J. Kelly, A. Mezzacapo, U. Las Heras, R. Babbush, A. G. Fowler, B. Campbell, Yu Chen, Z. Chen, B. Chiaro, A. Dunsworth, E. Jeffrey, E. Lucero, A. Megrant, J. Y. Mutus, M. Neeley, C. Neill, P. J. J. O’Malley, C. Quintana, P. Roushan, D. Sank, A. Vainsencher, J. Wenner et al. Nature, 2016: DOI: 10.1038/nature17658