Bazı hesaplamalar o kadar karmaşık ki, bunları gerçekleştirmeyi düşünmek bile olağanüstü bir güce sahip tesisleri gerektiriyor. Bunlar, süper bilgisayarlar; devasa tesisler, üstün işlem gücüyle vızıldayan ve masaüstü bilgisayarların yüzlerce, hatta binlerce yıl süreceği uygulamaları işleyen makineler.
Ticari olarak erişilebilen bir kuantum bilgisayar, bu yeni teknolojinin bir gün süper bilgisayarları geride bırakabileceğini gösteren bir başarıya imza attı. IBM'in Nighthawk r2 işlemcisi, sadece 19 saniyede bir milyon örnek üreterek, bir süper bilgisayarın yaklaşık 110 yıl sürmesi beklenen bir görevi tamamladı.
Bu deneyin sonuçları, arXiv'de bulunan bir ön baskıda (preprint) açıklandı. ABD'deki BlueQubit'te teorik yoğun madde fizikçisi olan ve çalışmanın ilk yazarlarından Tigran Sedrakyan ve meslektaşları, "bildiğimiz kadarıyla, bu, çoğu uzman olmayan kuantum bilgisayar kullanıcısının kolayca tekrarlayabileceği, ticari ve geniş çapta erişilebilir bir kuantum işlemcisinde rastgele devre örneklemesi (random-circuit sampling) için kuantum avantajının ilk gösterimidir" diyor.
Kuantum avantajı mücadelesi, süper bilgisayarlar ve kuantum bilgisayarlar arasındaki bir silahlanma yarışı şeklinde başladı. Temel iddia, klasik bir bilgisayarın gerçekleştirmesi oldukça zor, hatta imkansız olan bir kuantum hesaplamasının olması gerektiğidir. 2018'de, bu işlevi yerine getirebilecek bir adayın rastgele devre örneklemesi (RCS) olduğu yönünde güçlü teorik kanıtlar sunuldu.
Bir kuantum devresi, kübitler (qubits) üzerinde gerçekleştirilen bir dizi işlemdir, bu da geleneksel bir bilgisayardaki bitler üzerinde yapılan işlemlere benzer. RCS'de, bu işlemler büyük ölçüde rastgele seçilir ve giderek daha karmaşık bir kuantum durumu oluşturulur. İşlemci daha sonra bu durumu tekrar tekrar ölçerek, birler ve sıfırlardan oluşan diziler, yani "örnekler" üretir. Örneklerin üretilmesi oldukça basittir, ancak kübit ve işlem sayısı arttıkça, aynı sonuçları klasik bir bilgisayarda yeniden üretmek için gereken olasılık dağılımını hesaplamak Sisyphus'un görevi haline gelir.
2019'da Google, 53 kübitlik Sycamore işlemcisinin, klasik bir süper bilgisayarın pratik ulaşımının ötesinde bir RCS deneyi gerçekleştirdiğini duyurdu. Ancak klasik araştırmacıların bu sonuçları yeniden üretmek için yaratıcı yollar bulması ve kuantum araştırmacılarının mevcut en ileri teknolojiyi kullanarak sistemlerini daha da zorlaması uzun sürmedi.
Bu yeni sonuç ise bambaşka bir seviyede. Özel bir deneysel kuantum işlemci kullanmak yerine, Sedrakyan ve meslektaşları deneylerini IBM'in bulut platformu aracılığıyla ticari olarak erişilebilen 120 kübitlik süperiletken bir kuantum işlemcisi olan Nighthawk r2 üzerinde gerçekleştirdiler. 61 kübiti seçerek, 40 döngüye kadar artan karmaşıklıktaki rastgele devreleri kullandılar. Dahası, bu işlem platformun standart bulut iş akışı kullanılarak ve deneye özel herhangi bir kalibrasyon yapılmadan gerçekleştirildi.
36 döngüde "altın oranı" buldular; bu döngüde devre 918 adet iki kübitlik kapı içeriyordu. Bu koşulda Nighthawk r2, sadece 19 saniyede 1 milyon örnek üretti. Şaşırtıcı olan, bu işin kolay kısmı olması. Klasik bir bilgisayar için görevin ne kadar zor olacağını ölçmek çok daha zordur.
Bir süper bilgisayarın bu görevi yerine getirmesinin neredeyse imkansız olduğu varsayıldığı ve dünyanın en iyi süper bilgisayarlarının yüksek talep gördüğü için bilim insanları programı bir süper bilgisayara yükleyip ne olacağını izleyemezler. Neyse ki, kullanabilecekleri bir araç var: kuantum devresini klasik bir bilgisayarda simüle etmenin hesaplama maliyetini tahmin edebilen tensor-network contraction adı verilen bir teknik.
Bu yaklaşımı kullanarak, Sedrakyan ve meslektaşları, bir milyon örneği yeniden üretmenin yaklaşık 1.2 × 10²⁷ hesaplama işlemi gerektireceğini hesapladılar. Frontier, saniyede bir kentilyondan (1 × 10¹⁸) fazla performansa sahip, dünyanın ilk exascale süper bilgisayarıydı. Araştırmacılar, daha muhafazakar bir sürekli performans tahmini kullanarak, Nighthawk r2'nin başarısının yaklaşık 110 yıllık hesaplama süresine denk geldiğini hesapladılar.
Bazı önemli uyarılar var. Bu 110 yıl, klasik bilgisayarlar için temel bir hız sınırı değil, kuantum deneyini yeniden üretmek için belirli bir yönteme dayanan bir tahmindir. Ve tarih zaten gösterdiği gibi, klasik bilgisayar araştırmacıları kısayolları bulmada çok iyidir. Daha verimli algoritmalar, gereken iş miktarını önemli ölçüde azaltabilir. Sedrakyan ve meslektaşları bu olasılığı açıkça kabul ediyor. İddiaları, hiçbir klasik bilgisayarın Nighthawk r2'nin performansına asla yetişemeyeceği değil, bu ölçüte göre kuantum işlemcisinin önemli ölçüde öne geçtiğidir.
Bu, kuantum avantajı silahlanma yarışında atılmış bir meydan okuma daha; üstünlük ruhunda bir meydan okuma değil, nihayetinde her iki tarafı da daha iyi hesaplama yolları bulmaya itecek işbirlikçi bir yarış. Ve aslında, bu yarışın iş başında olduğunu gösteren bir kanıt: özel laboratuvar ekipmanları üzerinde değil, ticari olarak erişilebilir donanım üzerinde kuantum avantajı elde edildi.
Araştırmacılar, deneyi "bulut üzerinden erişilebilen halka açık bir QPU'da" standart bulut yürütme yığını kullanılarak gerçekleştirdiklerini ve sonuçları başkalarının test etmesi için devreleri, örnekleri ve analiz kodunu yayınladıklarını vurguluyor. Meydan okuma ortada. Kim gelip onu kabul etmek ister? Bulgular henüz hakem değerlendirmesinden geçmedi, ancak arXiv'de bir ön baskı mevcut.
