Kuantum Bilgisayarlar, Klasiklerin Fundamenta Olarak Yapamadığı Bir Testi Geçti
Kuantum bilgisayarların, geleneksel olanların çok ötesinde yeteneklere sahip olması bekleniyor, ancak bu yeteneklerin gerçekten de var olduğunu doğrulamak şaşırtıcı derecede zor. Çünkü sonuçlarını kontrol etmek bile, klasik makineler için kabul edilemez derecede karmaşık hesaplamalar gerektirebiliyor.
Bu sorun, “kuantum doğrulama problemi” olarak biliniyor ve yeni bir deney, bu soruna zarif bir çözüm sunuyor: her tür sistemi test eden bir oyun.
Peki, püf noktası ne? Matematiksel olarak kanıtlanmış bir sınır var: hiçbir klasik bilgisayarın performansı ne kadar iyi olursa olsun, belirli bir eşiği aşamıyor.
İngiltere merkezli Quantinuum şirketinin bilgisayar bilimcilerinden Marcello Benedetti ve Harry Buhrman liderliğindeki ekip, bu testi “tuzak iyon” (trapped-ion) teknolojisine sahip bir kuantum sisteminde çalıştırdığında, klasik sınırın çok ötesine geçti.
Deneyin zorluğu arttıkça, kuantum sisteminin performansı ile en iyi olası klasik performans arasındaki fark giderek büyüdü. Bulgular, “Nature Communications” dergisinde yayınlandı.
Kuantum bilgisayarlar, en temel parçacıkların davranışını yöneten tuhaf fizik prensiplerinden güç alıyor. Klasik bir bilgisayarın bitleri, 1 veya 0 gibi iki durumdan birini temsil ederken, kuantum bitleri (qubitler), ölçülene kadar hem 1 hem de 0 durumunda olabilir. Bu süperpozisyonun matematiksel yapısı, hesaplama açısından inanılmaz derecede güçlüdür ve kuantum bilgisayarın, geleneksel bir bilgisayar için son derece zor olan belirli problemleri hızlı bir şekilde çözmesine olanak tanır.
Araştırmacılar, bu süperpozisyon gücünü test etmek istediler. Bu nedenle, “tamamlayıcı örnekleme” (complement sampling) olarak bilinen bir hesaplama görevine dayalı bir oyun tasarladılar.
Oyunun mantığı şu şekilde: Tüm olası cevapların gizlice iki eşit gruba, A ve B’ye bölündüğünü hayal edin. Size rastgele seçilmiş bir cevabı alıyorsunuz (A grubundan) ve göreviniz, B grubundan bir cevap vermeniz isteniyor.
Klasik bir bilgisayar için bu yeterli bilgi değil. Çünkü klasik bilgisayar, aldığı cevabın A grubuna ait olduğunu biliyor, bu yüzden o cevabı veremez. Ancak, diğer tüm olası cevapların hangilerinin A’ya ve hangilerinin B’ye ait olduğunu bilmiyor.
Kuantum bilgisayar ise farklı kurallara göre oynuyor. Bir qubitin hem 1 hem de 0 durumunda olabilmesi sayesinde, kuantum bilgisayar, tüm A grubunu süperpozisyonda alabiliyor, yani tek bir örnek yerine tüm olasılıkları aynı anda işleyebiliyor.
Daha da önemlisi, bu süperpozisyonu ölçmeden önce manipüle edebiliyor. Araştırmacılar tarafından “değiştirici devre” (swapper circuit) olarak adlandırılan bir teknik kullanarak, kuantum bilgisayar, A grubunu temsil eden durumu, tamamlayıcısı olan B grubunu temsil eden bir duruma dönüştürüyor.
Daha sonra, bu durumu ölçerek, B grubundan bir cevap elde ediyor. İdeal ve hatasız bir kuantum sisteminde, bu strateji her zaman başarılı oluyor.
Klasik bilgisayar için görev çok daha zor. Klasik bilgisayar, aldığı cevabı ölçmeli, böylece rastgele seçilmiş bir cevabı A grubundan almalı ve ardından B grubundan bir cevap vermeye çalışmalı. Bu durum, iki tür sistem arasındaki farkı önemli ölçüde artırıyor.
İdeal bir kuantum sistemi her zaman kazanırken, en iyi olası klasik stratejiye verilen avantaj, bit sayısının (ve dolayısıyla olası cevapların sayısının) arttıkça katlanarak azalıyor. Bunun nedeni sadece araştırmacıların yeterince zeki bir klasik algoritma bulamamış olmasından kaynaklanmıyor. Bu sınır matematiksel olarak kanıtlanmış ve hesaplamanın ne kadar zor olabileceği hakkında herhangi bir varsayımda bulunulmamış.
Bu durum, ekibe olağanüstü değerli bir şey sağladı: sonuçlarının kolayca doğrulanabildiği, ölçeklenebilir olduğu ve en önemlisi, klasik bilgisayarların neler yapıp neleri yapamadığına dair kanıtlanmamış varsayımlara dayanmayan bir test.
Quantinuum’un “tuzak iyon” teknolojisine sahip kuantum bilgisayarlarında bu testi gerçekleştirdiler ve binlerce farklı devre kullandılar. Deneyler 55 qubit’e kadar büyütüldü. Gerçek makineler, teorideki gibi mükemmel değildi. Deneylerin boyutu arttıkça ve daha fazla kuantum işlemi gerektirdikçe, donanım gürültüsü performansı giderek bozdu.
Ancak kuantum sistemi hala klasik sınırı aştı. Her deneyde, kuantum bilgisayarın sonuçları, herhangi bir klasik stratejinin elde edebileceği sonuçlarla tutarlı değildi. Daha da iyi olanı, problem ne kadar büyüdükçe, bu fark arttı. Deneysel olarak gözlemlenen avantaj, bit uzunluğuyla katlanarak arttı ve optimal kuantum stratejisinden beklenen davranışa yakındı.
Test edilen en büyük ölçekte (37 bit), sistem teorik ideal performansı tam olarak elde etmedi, ancak sonuçlar hala “klasiklik ihlali” olarak adlandırılan önemli bir fark gösterdi.
Deneyin bazı sınırlamaları var. Örneğin, cevabı seçen ve cevabı analiz edip tamamlayıcısını veren sistemler aynı kuantum bilgisayarda bulunuyordu ve iletişim kanalı, kuantum teleportasyon kullanılarak simüle ediliyordu. Daha katı bir test, bu sistemleri ayrı kuantum bilgisayarlarda bulundurarak gerçek bir kuantum iletişim kanalını kullanmayı gerektirecektir.
Ancak bu, aşılması gereken bir engel. Şu anda, deney, verilerin doğrulanmasının kolay olduğu, ölçeklenebilir ve klasik bilgisayarların neler yapıp neleri yapamadığına dair kanıtlanmamış varsayımlara dayanmayan yeni bir test yöntemi sunuyor.
Araştırmacılar, “Testimiz, kuantum süperpozisyonunun gücünü, dolaşıklık (entanglement) ve yerel olmayanlık (non-locality) olmaksızın gösteriyor” diyorlar. Bulgular, “Nature Communications” dergisinde yayınlandı. Bu makale Fiona MacDonald tarafından kontrol edilmiş ve düzenlenmiştir. Süreçten gurur duysak da, biz de sadece insanlarız. Bir hata görürseniz, lütfen bize bildirin.
