Google Araştırmacıları Kuantum Üstünlüğüne Ulaştı

Kuantum bilgisayarları üzerine araştırmalar yapan bir grup Google araştırmacısı kuantum üstünlüğüne ulaştıklarını -klasik bilgisayarlar tarafından yapılması pratikte imkânsız bir hesabı bir kuantum bilgisayarıyla yaptıklarını- açıkladı.

Yıllardır kuantum bilgisayarları üzerine yapılan araştırmaların ana nedeni, kuantum bilgisayarlarının belirli görevleri klasik bilgisayarlardan daha hızlı yapabilecek kapasitede olmasıdır.

Bugüne kadar çeşitli kuantum bilgisayarları geliştirilmişti ve bu bilgisayarlar bazı hesapları başarı ile gerçekleştirmişti. Ancak hiçbiri aynı hesapları bir klasik bilgisayardan daha hızlı yapamıyor, kuantum üstünlüğünü gerçeğe dönüştürecek bir bilgisayarın geliştirilmesinin ancak onlarca yıl sonra mümkün olacağı düşünülüyordu. Google araştırmacıları ise önce var olan teknolojiyle bir kuantum bilgisayarının bir klasik bilgisayardan daha hızlı çözebileceği bir soru tasarlamış daha sonra da bu soruyu kendi geliştirdikleri bir kuantum bilgisayarıyla çözmüşler. Tüm hesap yaklaşık 200 saniye içinde tamamlanmış. Aynı hesabı bir klasik bilgisayarın yapmasınınsa günümüzün teknolojisiyle en azından on bin yıl süreceği tahmin ediliyor.

Araştırmacılar çözdükleri problemi ilk olarak 2016 yılında öne sürmüşler. Bu problemin zorluğunu anlamak için önce daha basit bir probleme odaklanalım. Bir zar attığınızı düşünün. Muhtemel altı sonuç vardır: 1, 2, 3, 4, 5, 6. Eğer zar hilesizse tüm sonuçlar eşit olasılıkla görülür: Her bir sayının gelme olasılığı 1/6’dır. Peki ya zar hileliyse? Böyle bir durumda her bir sayının gelme olasılığını nasıl hesaplayabiliriz? Hileli bir zar için kuramsal hesaplar yaparak her bir sayının gelme olasılığını hesaplamak mümkün değildir. Dolayısıyla deneye başvurulması gerekir. Zarı yüzlerce, binlerce kez atarsınız ve her bir sonucun kaç kez geldiğini kaydedersiniz. Böylece her bir sayının gelme olasılığını kabaca tahmin etmek mümkün olur. Örneğin hileli zar bin kez atılmış ve 1, 2, 3, 4, 5, 6 sayıları sırasıyla 150, 120, 190, 225, 185, 130 kez gelmişse herhangi bir atış sırasında 1, 2, 3, 4, 5, 6 gelme olasılıkları yaklaşık olarak sırasıyla 150/1000=0,15, 120/1000=0,12, 190/1000=0,19, 225/1000=0,0225, 185/1000=0,185 ve 130/1000=0,13’tür. Bu olasılık değerleri yaklaşıktır çünkü daha çok sayıda deney yapıldığında bulunan sonuçlar az da olsa değişebilir. Tam olarak doğru olasılık değerlerini bulmak için sonsuz sayıda deney yapmak gerekir ancak bu pratikte imkânsızdır.

Araştırmacılar da, tıpkı hileli zar atıldığında gelecek sonuçların olasılıklarının dağılımının çok sayıda deney yapılarak tespit edilmesine benzer biçimde, bir kuantum sistemiyle ilgili olasılık dağılımını bulmak için kendi geliştirdikleri kuantum bilgisayarıyla deneyler yapmışlar.

Sycamore olarak adlandırılan kuantum işlemcisinde 54 kübit var. Başlangıçta bu kübitlerin 53’üne (kübitlerin biri bozuk) rastgele karmaşık işlemler uygulanıyor. Daha sonra da kübitlerin durumu ölçülüyor. Sonuçta her bir kübit ya 0 ya da 1 durumunda bulunduğu için elde edilen sonuçlar 0’lardan ve 1’lerden oluşan 53 rakam uzunluğunda diziler oluyor. Bu ölçümler sonucunda elde edilebilecek farklı sonuçların toplam sayısı 2⁵³. Ancak hangi dizilimin hangi olasılıkla görüleceği bilinmiyor. Uygulanan işlemlerin karmaşıklığından dolayı sonuçların olasılık dağılımını hesaplamak da çok zor. Saniyede milyarlarca işlem yapabilen günümüzün en gelişmiş klasik bilgisayarlarıyla bile bu olasılık dağılımı ancak on bin yılda hesaplanabilir. Araştırmacılar bu karmaşık kuantum sistemindeki olasılık dağılımını hesaplamak için deneye yöneliyorlar. Yaklaşık 200 saniye içinde, çipteki kübitler milyonlarca kez işlemden geçiriliyor ve üzerlerinde ölçüm yapılıyor. Böylece olasılık dağılımı deneysel olarak hesaplanıyor.

Yapılan çalışmayla ilgili önemli bir zorluk Sycamore’un yaptığı hesapların doğruluğunu teyit etmek olmuş. Bu amaçla önce daha küçük ölçekte kuantum sistemleri üzerinde benzer hesaplar yapılmış daha sonra da bu hesaplar klasik bilgisayarlar yardımıyla doğrulanmış.

Google - Çok düşük sıcaklarda çalışabilen Sycamore, bu özel soğutucunun içinde tutuluyor.

Kuantum bilgisayarı kullanılarak çözülen sorunun pratik amaçlar için yararlı olması beklenmiyor. Ancak yapılan çalışma bir kuantum bilgisayarının belirli  problemleri klasik bilgisayarlardan daha hızlı çözebilmesinin gerçekten de mümkün olduğunu göstermesi bakımından önemli bulunuyor. Günlük hayatımızda yararlı olabilecek problemleri çözebilecek kuantum bilgisayarlarının geliştirilmesi içinse uzun yıllar beklememiz gerekiyor.

Santa Barbara’daki Kaliforniya Üniversitesinden Prof. Dr. John Martinis önderliğinde yapılan çalışmayla ilgili detaylı bilgiye Nature’da yayımlanan makaleden ulaşabilirsiniz.