Kuantum üstünlüğü kavramı, bir kuantum bilgisayarın klasik süper bilgisayarların dahi simüle etmekte zorlanacağı karmaşık hesaplamaları gerçekleştirebilmesi anlamına geliyor. Google'ın bu alandaki çalışmaları, başlangıçta bazı tartışmalara yol açsa da, şirket geliştirdiği yeni işlemcilerle bu alandaki iddiasını tekrarladı.
Ancak son dönemde bilim dünyasının odağı, kuantum üstünlüğünden ziyade iki farklı başarı ölçütüne kaymış durumda. Bunlardan ilki 'kuantum faydalılığı' (quantum utility); bu, kuantum bilgisayarın pratik anlamda faydalı hesaplamalar yapabilmesini ifade ediyor. İkinci ölçüt ise 'kuantum avantajı' (quantum advantage); bu durumda kuantum sistemleri, geleneksel bilgisayarların alacağından çok daha kısa sürede hesaplamaları tamamlıyor.
Zamanın Ötesinde: Kuantum Yankıları
Google'ın son çabalarının merkezinde, "kuantum yankıları" adını verdiği bir hesaplama yaklaşımı yer alıyor. Bu yaklaşım, makineyi oluşturan kübitler (qubits) üzerinde gerçekleştirilen bir dizi operasyonu içeriyor. Kübitler, iki değer arasında bir süperpozisyonda tek bir kuantum bilgisini taşıyor ve ölçüm yapıldığında belirli bir olasılıkla bu değerlerden birinde bulunuyor. Kübitler birbirleriyle 'dolanık' (entangled) olduğundan, bir kübitin olasılığı çevresindeki diğer kübitlerin olasılıklarını etkileyebiliyor. Hesaplama yapmayı sağlayan "kapılar" (gates), bu olasılıkları manipüle etme yöntemleridir. Mevcut kuantum donanımlarının çoğu, aynı anda bir veya iki kübit üzerinde işlem yapabiliyor.
Kuantum yankılarında ise, iki kübitlik bir dizi kapı işlemi uygulanıyor, sistemin durumu değiştiriliyor ve ardından tersi yönde aynı kapı işlemleri yapılıyor. Bu işlemin tek başına yapılması, sistemi orijinal durumuna geri döndürmesi gerekir. Ancak kuantum yankılarında, rastgele bir parametreyle uygulanan tek kübitlik kapılar ekleniyor. Bu, ters işlemler gerçekleşmeden önce sistemin durumunu değiştirerek, sistemin tam olarak başladığı yere dönmesini engelliyor. Bu da "yankı" adını açıklıyor: Bir ses dalgasının kusurlu bir şekilde tersine dönmesi gibi, kusurlu bir kopyayı başlangıç noktasına geri gönderiyorsunuz.
Google'dan Tim O'Brien'ın belirttiği gibi, bu süreç şöyle açıklanabilir: "Sistemi ileri doğru evrimleştiriyorsunuz, ardından küçük bir 'kelebek pertürbasyonu' uyguluyorsunuz ve sonra sistemi geri doğru evrimleştiriyorsunuz." İleri evrim, ilk iki kübit kapı setini; küçük pertürbasyon, rastgele tek kübit kapısını; geri evrim ise ikinci iki kübit kapı setini temsil ediyor.
Ancak bir kuantum sistemi olduğu için, beklenmedik şeyler oluyor. O'Brien, "Bir kuantum bilgisayarında, bu ileri ve geri evrimler birbirleriyle etkileşime girer" diyor. Bu etkileşimi olasılıklar açısından düşünmek mümkün. Sistem, başlangıç noktasından yansıma noktasına (ileriden geriye evrime geçtiği yer) ve yansıma noktasından son duruma kadar birden fazla yola sahip. Her yolun kendine ait bir olasılığı var. Kuantum mekaniğinde bu yollar birbirleriyle etkileşime girerek bazı olasılıkları artırıp diğerlerini azaltabilir. Nihayetinde sistemin nereye varacağını bu etkileşim belirliyor.
(Teknik olarak bu "zaman dışı sıralı korelasyonlar" (out of time order correlations - OTOCs) olarak adlandırılıyor. Bu çalışmayı anlatan bilimsel makalelerde bu terime sıkça rastlanacaktır.)
Avantajın Gösterilmesi
Peki, kuantum yankıları nasıl bir algoritmaya dönüştürülüyor? Tek bir "yankı" tek başına sisteme dair çok fazla bilgi vermez; olasılıklar her çalıştırmanın farklı davranmasına neden olabilir. Ancak bu operasyonları birden çok kez tekrarlayarak, kuantum etkileşiminin detaylarını anlamaya başlayabilirsiniz. Kuantum bilgisayarda bu işlemleri tekrarlamak, farklı rastgele tek kübit kapılarıyla operasyonları yeniden çalıştırmayı ve başlangıç/son durumlarının birçok örneğini elde etmeyi kolaylaştırır. Bu da olasılık dağılımları hakkında bir fikir verir.
Google'ın kuantum avantajı da burada ortaya çıkıyor. Orta düzeyde karmaşıklıktaki bir kuantum yankısının kesin davranışının, önde gelen herhangi bir süper bilgisayar kullanılarak modellenebileceği konusunda herkes hemfikir. Ancak bu, son derece zaman alıcı bir işlem olduğundan, simülasyonları birkaç kez tekrarlamak gerçekçi değil. Yapılan tahminlere göre, kuantum bilgisayarın 2.1 saatte gerçekleştirdiği bir ölçüm, bir süper bilgisayarın yaklaşık 3.2 yılını alabilir. Mevcut algoritmalarımızdan çok daha iyi bir klasik algoritma geliştirilmediği sürece, bu durum oldukça sağlam bir kuantum avantajını temsil ediyor.
Peki, bu faydalı bir algoritma mı? Tekrarlanan örnekleme, birçok fiziksel sistemin davranışını keşfetmek için kullanılan Monte Carlo örneklemesine benzer bir şekilde işleyebilir. Ancak genellikle algoritmaların, çalıştırıldıkları donanımın kendi davranışını modellemesi beklenmez; bunun yerine, ilgilendiğimiz başka bir fiziksel sistemi modellemeleri amaçlanır. Google'ın bu duyurusu, önceki çalışmalarından farklı olarak, kuantum yankılarının anlamamıza yardımcı olabileceği ilginç bir gerçek dünya fiziksel sistemi belirlediğine inanıyor.
Bu sistem, bir Nükleer Manyetik Rezonans (NMR) cihazındaki küçük bir molekül. Google, NMR uzmanlarından oluşan geniş bir grupla birlikte, bu kullanıma yönelik bir ön çalışma yayınlıyor.
Bilgisayarlardan Moleküllere
NMR, her atomun çekirdeğinin "spin" adı verilen bir kuantum özelliğine sahip olmasına dayanır. Çekirdekler birbirine yakın olduğunda, örneğin aynı molekülde bulunduklarında, bu spinler birbirini etkileyebilir. NMR, bu spinleri manipüle etmek için manyetik alanlar ve fotonlar kullanır ve iki atomun ne kadar uzakta olduğu gibi yapısal detayları belirlemek için kullanılabilir. Ancak moleküller büyüdükçe, bu spin ağları daha uzak mesafelere uzanabilir ve modellenmesi giderek karmaşık hale gelir. Bu nedenle NMR, nispeten yakın spinlerin etkileşimlerine odaklanmakla sınırlı kalmıştır.
Ancak bu çalışma için araştırmacılar, bir NMR makinesini kullanarak bir moleküldeki kuantum yankısının fiziksel karşılığını oluşturmanın bir yolunu bulmuşlardır. Çalışma, molekülün bilinen bir konumunda belirli bir karbon izotopu (karbon-13) ile sentezlenmesini içeriyordu. Bu izotop, molekülün atomlarından oluşan spin ağında yayılan bir sinyalin kaynağı olarak kullanılabilirdi.
Ekip, "OTOC deneyi, başlangıçta bir hedef spin üzerinde lokalize olan polarizasyonun spin ağı boyunca göç ettiği ve ardından Hamiltonian ile tasarlanmış bir zaman-tersine çevrilme ile başlangıç durumuna odaklandığı çoklu-cisim yankısına dayanıyor" diye belirtti. "Bu yeniden odaklanma, uzak kelebek spinlerindeki pertürbasyonlara duyarlıdır, bu da polarizasyonun spin ağı boyunca yayılmasının kapsamını ölçmeyi sağlar."
Doğal olarak, bu kadar karmaşık bir şeyin akılda kalıcı bir takma ada ihtiyacı vardı. Ekip, "TARDIS" veya "Time-Accurate Reversal of Dipolar InteractionS" (Dipolar Etkileşimlerin Zamana Duyarlı Ters Çevrilmesi) adını buldu. Bu isim OTOC'nin "zaman dışı sıralı" yönünü yakalasa da, basitçe NMR örneğine gönderilen ve molekülün nükleer spin ağında bir pertürbasyon başlatan bir dizi kontrol darbesidir. İkinci bir dizi darbe daha sonra kaynaktan bir yankı yansıtır.
Dönen yansımalar kusurludur ve iki kaynaktan gelen gürültü vardır. Birincisi, basitçe kontrol dizisindeki kusurlardır; bu NMR donanımının bir sınırlamasıdır. İkincisi ise spin ağı boyunca uzak atomlardaki dalgalanmaların etkisidir. Bunlar rastgele belirli bir frekansta gerçekleşir veya araştırmacılar, rastgeleleştirilmiş kontrol sinyalleriyle molekülün belirli bir bölümünü hedefleyerek bir dalgalanma ekleyebilirler.
Bu uzak spinlerde olup bitenlerin etkisi, kuantum yankılarını kullanarak NMR ile şu anda yapabildiğimizden daha uzak mesafelerdeki yapısal bilgileri ortaya çıkarmamızı sağlayabilir. Ancak bunu yapmak için, yankıların molekül boyunca nasıl yayılacağının doğru bir modeline ihtiyacımız var. Ve yine, klasik hesaplamalarla bunu yapmak zordur. Ancak bu, makalenin gösterdiği kuantum hesaplama yetenekleri dahilindedir.
Durum Tespiti
Şimdilik ekip, çok basit moleküller üzerinde gösterimlerle sınırlı kaldı ve bu çalışmayı büyük ölçüde bir kavram kanıtı haline getirdi. Ancak araştırmacılar, sistemin NMR ile şu anda elde edilemeyen mesafelerdeki moleküllerden yapısal bilgileri çıkarmak için birçok şekilde kullanılabileceği konusunda iyimserler. Makalenin tartışma bölümünde ele alınması gereken birçok potansiyel fayda listeliyorlar ve NMR makinelerini kullanmanın yeni yollarını bulmak isteyen birçok akıllı insan var, bu nedenle alan muhtemelen bu yaklaşımlardan hangisinin pratik olarak faydalı olacağını oldukça hızlı bir şekilde çözecektir.
Gösterimlerin küçük moleküllerle yapılmış olması, kuantum bilgisayarda çalıştırılan modellemenin de klasik donanımlarda yapılabileceği anlamına geliyor (yalnızca 15 donanım kübiti gerektiriyordu). Bu nedenle Google, hem kuantum avantajı hem de kuantum faydalılığı iddia ediyor, ancak aynı anda değil. Klasik simülasyonun menzilinin ötesindeki karmaşık, uzun mesafeli etkileşimler hala mevcut kuantum donanımının biraz ötesinde. O'Brien, modelleme için donanım doğruluğunun üç veya dört kat artması gerektiğini tahmin ediyor.
Kuantum avantajı sorunu da geliştirilmekte olan bir çalışma olarak görülmeli. Google, yeterince sayıda kurumdan araştırmacıyla işbirliği yaptı; bu da klasik bilgisayarların yetişmesini sağlayacak algoritmalarda büyük bir ilerleme olasılığının düşük olduğu anlamına geliyor. Ancak topluluğun bu duyuruyu sindirmesi için biraz zaman geçene kadar bunu varsaymamalıyız.
Diğer bir konu ise doğrulanabilirlik. Bazı kuantum algoritmaları, klasik donanımlarda kolayca doğrulanabilen sonuçlar üretir. Kuantum yankıları bu tür bir algoritma değil, bu nedenle Google'ın açıkladığı davranışı doğrulamak için başka bir kuantum bilgisayarına ihtiyacımız olacak.
Ancak Google, bu konuda henüz tam olarak yeterli bir sistemin olmadığını belirtti. Şirket, "Mevcut hata oranları ve kübit sayısı açısından sistemimizle eşleşen başka bir kuantum işlemcisi bulunmuyor, bu nedenle şu anda bu işlemi yapabilen tek kuantum bilgisayarı bizimki" dedi. (Bağlam için, Google algoritmanın 65 kübite kadar üzerinde çalıştırıldığını belirtiyor, ancak çipin toplam 105 kübiti var.)
Diğer şirketlerin bu iddiayla anlaşmazlığa düşme olasılığı yüksek, ancak makalenin yayınlanmasından önce onlara ulaşmak mümkün olmadı.
Her durumda, bu iddia tartışmalı olsa bile, Google'dan Michel Devoret, önümüzdeki dönemde başka önemli kuantum algoritmalarının da geleceğini işaret etti. "Yolda başka algoritmalarımız da var, bu yüzden umarım başka ilginç kuantum algoritmaları da görürüz" dedi.
