Kuantum Optik ve Işıkla Çalışan Bilgisayar

Bilim insanları kuantum optik teknolojisi kullanarak ışıkla çalışan kuantum bilgisayar geliştiriyor. MIT ekibi kuantum bitlerle (kübit) çalışan kuantum bilgisayar işlemcilerini fotonlardan oluşan kablosuz mikrodalga bağlantısıyla birbirine bağladı. Böylece kuantum işlemciler optik veri yolu üzerinden foton dolanıklığıyla iletişim kurdu. Optik kuantum bilgisayarlar gelecekte laptop boyunda ama çok daha hızlı olacak ve soğutma sistemiyle birlikte oda büyüklüğünde dolaplardan oluşan bugünkü hantal kuantum bilgisayarların yerini alacak. Peki mikrodalga dolanıklığı ve kübitler nasıl çalışıyor?

Çok çekirdekli kuantum işlemciler

Kuantum bilgisayarlar süperpozisyon halinden yararlanarak aynı anda hem 0 hem de 1 mantık değerlerini alan kübitlerle çalışıyor. Böylece kübitlerden oluşan tek bir kuantum işlemci bile çok çekirdekli CPU gibi davranıyor. Mantık veya matematik problemlerini klasik bilgisayarlardan hızlı değil ama tüm işlemleri aynı anda yaparak daha çabuk çözüyor. Kuantum bilgisayarların çalışma prensibini kütritler ve kuantum şifreleme başlıklarında yazdım. Bu yazıda ise kuantum bilgisayarları 20 yılda (?) küçülterek dizüstüne indirecek olan devrimsel kuantum optik teknolojisini göreceğiz.

MIT’nin geliştirdiği yeni sistemde kuantum CPU’lar süperiletken maddelerdeki parçacıklardan oluşan kübitler kullanıyor ve bunlar birbirine mikrodalga frekansında çalışan kablosuz bağlantıyla bağlanıyor. Mikrodalga boyundaki dalga kılavuzu kübitlerden oluşan kuantum işlemcilerin elde ettiği çıktıları anakart üzerindeki optik veri yolu üzerinden bir ekrana yansıtmasını sağlıyor. Optik kuantum bilgisayar nasıl çalışıyor derseniz:

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Kuantum optik teknolojisine giriş

Mikrodalgayla uyarılan kübitler işleme göre ve isteğe bağlı olarak ışık parçacıkları olan fotonlar üretiyor. Fotonlar iki kuantum işlemci arasında iletişim kurulmasını sağlıyor. Peki bu ne işe yarayacak derseniz iki avantajı var: Öncelikle iki kuantum işlemcinin birlikte daha hızlı çalışmasına izin veriyor. İkincisi kuantum bilgisayarların bozulmadan çalışmasına izin veriyor.

Kübitler süperpozisyon ve kuantum dolanıklıkla çalışır. Oysa bilgisayar sonuçlarını görüntülemek gibi bir işlem, yani kullanıcı tarafından elektronik devreler üzerinden yapılacak dış müdahale süperpozisyon ve dolanıklığı bozar. Bu nedenle kuantum bilgisayarlardan bilgi alma işlemi klasik bilgisayara dönüşmelerine neden olur. Bilgisayar ekranına bakarak geçmişi etkileme ve sonucu geriye dönük olarak değiştirme riski de vardır (Bkz. Zamanı tersine çeviren kuantum silgi).

Nitekim Google’ın satın aldığı D-Wave şirketinin geliştirdiği 5000Q gibi bilgisayarlar kübitlerden süperpozisyonu bozmadan veri çekemediğine yönelik kaygılar yüzünden fizikçiler tarafından kuantum bilgisayar olarak kabul edilmiyor.

Öte yandan MIT eseri kübitlerin yaydığı fotonlar onlara haliyle dolanık olduğu için kuantum veriyi bilgisayar kullanıcısına geriye dönük olarak bozulmadan aktarıyor (Bkz. Kuantum Darwinizm süreci). Fotonlar veriyi bozulmadan detektörle ekrana ve nihayet ışık olarak (ekrandaki yazılar) gözlemciye taşıyor. Böylece kuantum bilgisayar sonuçlarını okunana dek saklayıp işlemcinin kuantum CPU olarak çalışmasını sağlıyor. Kuantum optik teknolojisi o kadar önemli ki optik kuantum bilgisayarlar geliştirilene dek pratik kuantum bilgisayar kullanmanın mümkün olmayacağını söyleyebiliriz.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Modüler kuantum optik

Bu teknolojinin en büyük avantajı modüler ve mobil olarak taşınabilir kuantum bilgisayarların önünü açması. Modüler derken kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarlardan hızlı çalışmasının iki yolu var: Ya çok güçlü bir kuantum işlemci yapacak veya birkaç kuantum işlemciyi çok çekirdekli CPU gibi optik kabloyla bağlayacağız. Oysa D-Wave’in iddialarını saymazsak elimizde 5000 kübitlik işlemci yok.

IBM geçen ay 65 kübitlik bir CPU duyurdu ve 2022’de 433 kübitlik CPU hedefliyor. Gerçi 100 kübitlik kuantum bilgisayar bile 2¹⁰⁰-1 bitlik bilgi işlem kapasitesiyle dünyadaki bütün süper bilgisayarların toplamından güçlü olacaktır. Buna karşın IBM’in bilgisayarları deneysel sistemler ve 100 kübitlik gerçekten pratik bir kuantum işlemciye yıllar var. MIT işte bu darboğazı aşmak ve geleceğin güçlü kuantum işlemcilerini birbirine bağlamak için kuantum optik teknolojisini geliştiriyor.

Yine de anakart üzerinden iki kuantum işlemciyi bağlamak birbirine çok yakın olan iki süperpozisyon sisteminin bozulmadan çalışmasını sağlamak açısından çok zor (Moore yasası uyarınca mikroskobik bakır tellerin 2 nanometreden daha fazla yaklaşması halinde elektronların teller arasında sıçrayarak kısa devre yapma ihtimali artıyor).

Bu nedenle MIT ilk etapta iki ayrı şehirdeki iki kuantum bilgisayarı optik kuantum internet üzerinden birbirine bağlamayı hedefliyor. Bu da kuantum bulut demek. Microsoft’un Azure altyapısı üzerinden dünyanın en güçlü 5 süper bilgisayarını birbirine bağlayacak olmasını düşünürsek MIT’nin hedefini anlayabiliriz. Bu Hiper Performanslı Bilgi İşlem (HPC) olup bütün süper bilgisayarlar birer HPC çözümüdür. Bunlar veri merkezinde bağlanarak gücüne güç katan çok sayıda tekil sunucudan oluşur.

MIT’in kuantum optik çözümü

MIT’nin kuantum HPC çözümüne yönelmesinin diğer sebebi de henüz çok az sayıda kuantum bilgisayar olması ve bunların ayrı şehirlerle ülkelerde bulunması. Kuantum bilgisayar sayısı artana kadar hem işlem gücünü artırmak hem de gözetlenemez kuantum interneti test etmek için kuantum fiber bağlantıları kurmak çok mantıklı görünüyor. Peki süperiletken kübitler nedir?

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Kuantum veri çok kırılgan

Kuantum sistemler atomlar ve elektron gibi parçacıkların rastgele titreşmesi (ısınması) nedeniyle bozulmaya yatkındır. Öyle ki kuantum bilgisayarlar ~mutlak sıfıra soğutulur. Bu nedenle fizikçiler süperiletken devreler kullanmaya başladılar. Süperiletkenler elektriği direnç göstermeden ileterek hemen hiç ısınmıyor ve süperiletken devrelerdeki parçacıklardan kurulan kübitler daha kararlı oluyor.

İstikrarlı kübitler az enerjiyle çalışan, pek az hata yapan, kuantum süperpozisyonu daha uzun süre koruyan ve kuantum dolanıklıkla daha uzak parçacıklara veri aktaran kuantum işlemciler demek. Kısacası kübitler ne kadar kararlıysa bilgisayar da o kadar güçlü ve kullanışlı olur. Buna kübitlerin veriyi hem depolayıp hem işlediğini eklersek istikrarlı kübitlerin ne kadar kritik olduğunu görürüz.

MIT’nin uzak bilgisayarları bağlamak istemesinin diğer nedeniyse yapısı itibariyle gözetlenemeyen kuantum internet kurmak (ABD Çin’in gerisinde ve ticaret savaşı aslında Çin ekonomisini krize sokup Ar-Ge zengini ABD’ye zaman kazandırma amacını güdüyor). Şimdilik süperiletken kübitler anakart üzerinde kullanılıyor. Fizikçiler uzak kuantum bilgisayarları bağlama teknolojisini daha yeni geliştiriyor.

Kuantum buluta bağlanacak kuantum CPU’ların birbirini bozmadan haberleşmesinin en iyi yolu ise fotonlar. Fotonlar elektronlar gibi kütleli olmadığı için fiber optik sistemler kolay kolay ısınmıyor ve uzun mesafede veri aktarım kalitesini koruyor. Mikrodalgalar kübitlerin dolanık foton çiftleri yayınlamasını sağlıyor ve kılavuz dalga olarak bunları kodladığı veriyle kuantum internette taşıyor. Mikrodalga frekanslı kılavuz dalgalar fiyat/performans açısından en iyi sonucu veriyor.

Kuantum optik ve hata düzeltme

Peki MIT’nin önündeki ana engeller nedir? Öncelikle belirsizlik ilkesi nedeniyle kuantum bilgisayarlar hatasız çalışamaz. Mutlaka kübitlerde bozulma olacaktır ve bunu düzeltmek için kuantum hata düzeltme teknolojisini geliştirmek gerekir. Ayrıca kuantum internet için kendi IPv6 benzeri iletişim protokolünü geliştirmek lazım. Sonuçta elektronik transistorların nasıl çalıştığını Maxwell denklemleriyle biliyoruz ama kuantum mekaniğine özgü iletişim protokollerini yeni icat ediyoruz.

İlgili yazı: Yapay Zeka Nedir ve Nasıl Çalışır?

 

Kuantum optik ve dev atomlar

MIT araştırmacıları Kennan, Oliver ve meslektaşları dayanıklı kübitler için süperiletken devrelerdeki atomları mutlak sıfıra soğutup dolanıklığa sokarak bunları gözle görülecek kadar büyük dev bir atoma dönüştürüyor. Atomların dolanık olması kübit verisinin işlemcide tutarlı işlenmesi ve aktarılmasına izin veriyor. Böyle bir mimari için kuantum hata düzeltme ve kuantum internet şart oluyor.

Bunun için kübitlerin frekansı bunların mikrodalgalarla etkileşime girme frekansına eşleniyor. Böylece süperpozisyon halindeki (eşevrelilik) kübitlere dolanık fotonlar yayınlıyor ve bunlar da kılavuz mikrodalga boyunca bozulmadan taşınıyor. Kübitlerin yayınladığı ve ters yönlerde giden fotonlar zıt yönlerdeki kuantum işlemcilere bağlanmayı sağlıyor.

Kuantum internette foton modülasyonu genellikle spontan parametrik alt çeviriciler ve fotodetektörlerle sağlanıyor. Oysa bunlar laboratuar masasında aynalardan yansıtılan lazer ışınları gibi hantal sistemler. MIT’in deneysel kuantum internet çözümünün geliştirilmesi ve sonra da kutuya girip ticari teknolojiye dönüşmesi uzun yıllar alacak. Böylece kuantum işlemcileri gördük. Peki ya kuantum RAM? Sonuçta kuantum bilgisayarların RAM’i de kuantum olmak zorunda. Hemen anlatalım:

İlgili yazı: Virüsler Canlı mı ve RNA Yaşamın kökeni mi?

 

Kuantum RAM ve dev atomlar

Mainz Johannes Gutenberg Üniversitesi’nden Profesör Patrick Windpassinger ve ekibi mutlak sıfıra soğutulan ultra soğuk atomlardan oluşan dev atom üretip bu atomun kuantum belleğinde depolanan veriyi 1,2 mm mesafeye aktardı. Bu çok kısa bir mesafe gibi gelebilir ama atom ölçeğinde büyük mesafe. Tipik bir RAM modülünün ~10cm ve bilgisayar kasasındaki en uzak mesafenin 50 cm’den kısa olduğunu düşünürsek müthiş bir başlangıç. Özellikle de araştırmacıların kübit verisini anakart üzerinden kuantum optik veri yoluyla aktarmayı hedeflediğini düşünürsek…

Profesör Windpassinger kuantum bellek için rubidyum 87 atomlarından oluşan bir atom bulutu kullandı ve atomlar birbiriyle dolanık olduğu için dev atom gibi davranıp aynı frekansta titreşti. Işık hızı saniyede 300 bin km olduğundan 1,2 mm’yi çok kısa sürede alıyor ama kuantum bilgisayarlar da ışık hızında çalıştığından kuantum RAM uzun süre veri depolamış sayılıyor. Kübitler aşırı hassas olduğu için hata vermeden çalışan kuantum bilgisayar parçaları geliştirmek ayrı bir çaba gerektiriyor.

MIT’nin kuantum optik internet teknolojisini tamamlayan optik kuantum RAM’de kuantum veriler elektromanyetik tetiklemeli saydamlık (EIT) teknolojisiyle depolanıyor. Bu çözümde kuantum veriyi taşıyan fotonların oluşturduğu ışınlar rubidyum atomlarına yansıtılıyor. Böylece kuantum veri atomlarda saklanıyor. Daha sonra atomlar emdiği fotonlarla eşdeğer yeni fotonları veriye zarar vermeden düşük hata payıyla yayınlıyor. Böylece RAM’e yazma ve okuma işlemleri yapılıyor.

İlgili yazı: 18 Ayda Nasıl 24 Kilo Verdim?

 

Kuantum optik belleğe yazma

Fotonları emen atomlar ısındığı için RAM’in ömrü sabit disk sürücüsü kadar uzun değil ama RAM kısa süreli bellek olduğundan bu da sorun değil. Araştırmacılar kuantum RAM’in klasik RAM’ler kadar uzun süreli olmasını sağlamaya çalışıyor ama buna zaman var. Nasıl ki atomlara lazerle veri kaydediliyor (gelen fotonlar) okuma işlemi de lazerle yapılıyor. Atomların yaydığı ışık lazer ışını içinde detektörlere taşınıyor. Bundan sonraki hedef ise yazma ve okuma lazerlerini ayırmak olacak. Ayırmak derken:

Fizikçiler kuantum mekaniğinden yararlanarak lazerin bir kısmıyla okuma verisini taşımak ve bir kısmıyla da yazma verisini kaydetmek istiyor. Bunun ardından kuantum RAM verisini anakarta aktarma teknolojisini geliştirecekler. Peki evreni belirleyen kuantum alanları nasıl oluştu?  Onu da şimdi okuyabilir, kuantum ölçüm problemine odaklanabilir ve kuantum fiziğinde doğru bilinen 3 yanlışı inceleyebilirsiniz. Güzel bir hafta sonu ve keyifli okumalar dilerim.

Kuantum optik ve hata düzeltme

¹Generating spatially entangled itinerant photons with waveguide quantum electrodynamics
²Physicists successfully carry out controlled transport of stored light