IBM’nin Süperbilgisayarın Yüzyılı Alacağı İşlemi 19 Saniyede Tamamladı

IBM’nin Nighthawk r2 işlemcisi, 19 saniye içinde bir milyon örnek (sample) üreterek, klasik bir süperbilgisayarın tamamlamasının yaklaşık 110 yıl süreceği hesaplanan karmaşık bir kuantum hesaplamasını gerçekleştirdi. BlueQubit adlı ABD merkezli kurumdan teorik katı madde fizikçisi Tigran Sedrakyan önderliğindeki araştırmacılar, deneyi IBM’nin bulut platformu üzerinden erişilebilen ticari bir kuantum bilgisayarı üzerinde yürüttü ve elde ettikleri sonuçları henüz hakem denetiminden geçmemiş, arXiv üzerinde paylaşmış oldukları bir ön basım (preprint) makalesinde yayımladı. Ticari ve geniş kitlelerce erişilebilir donanım üzerinde gerçekleştirilen bu çalışma, kuantum üstünlüğünün laboratuvara özgü özel ekipmanlarla değil, herkesin ulaşabileceği bir sistemde kanıtlandığı anlamını taşıyor.

Karmaşık hesaplamaları çalıştırmak, olağanüstü güce sahip tesislerin bile ihtiyaç duyduğu bir süreçtir. GPU’ları ve CPU’larıyla adeta şişkin bir yapı sergileyen, devasa süperbilgisayar tesisleri, masaüstü bir bilgisayarın yüzlerce ya da binlerce yıl alacağı uygulamaları işler. Şimdi ise ticari açıdan erişilebilir hale gelen bir kuantum bilgisayarı, bu yeni teknolojinin bir gün süperbilgisayarları geride bırakabileceğine işaret eden bir başarı kaydetti.

Kuantum Üstünlüğü Yarışının Arkasındaki Rekabet

Kuantum üstünlüğü için sürdürülen bu yarış, aslında süperbilgisayarlarla kuantum bilgisayarları arasındaki, temeli 2018 yılına dayanan bir silahlanma yarışdır. Temel varsayım şudur: Klasik bir bilgisayar için aşırı zorlu – ya da imkânsız – sayılacak bir kuantum hesaplaması mutlaka vardır. 2018 yılında Berkeley Üniversitesi’nde çalışan araştırmacılar, bu işi yapabilecek önde gelen aday görevin gerçekçiliğine güçlü teorik kanıtlar sundu: Rastgele devre örnekleme (random circuit sampling ya da RCS).

Kuantum devresi, kubitler üzerinde gerçekleştirilen bir dizi işlemdir ve bu işlem, geleneksel bilgisayarlardaki bitler üzerinde yapılan işlemlere kısmen benzer. RCS durumunda ise bu işlemler büyük ölçüde rastgele seçilir ve giderek artan karmaşıklığa sahip bir kuantum durumu oluşturulur. İşlemci ardından bu durumu defalarca ölçerek bir ve sıfırlardan oluşan diziler – yani “örnekler” – üretir.

Örnekleri üretmek oldukça basit olsa da, kubit ve işlem sayısı arttıkça, aynı sonuçları klasik bir bilgisayarda yeniden üretmek için gereken olasılık dağılımını hesaplamak Sisifos’a özgü bir emek gerektirir. 2019 yılında Google, 53 kubitli Sycamore işlemcisinin, klasik bir süperbilgisayarın pratik ulaşımının ötesinde bir RCS deneyi gerçekleştirdiğini duyurmuştu. Ancak klasik araştırmacıların, bu sonuçları yeniden üretmek için klasik bilgisayarı zorlayacak yaratıcı yollar bulması uzun sürmedi; kuantum araştırmacıları ise eldeki en ileri teknolojiyi kullanarak sistemlerini giderek daha uç noktalara taşıdı.

Ticari Donanım Üzerinde Gerçekleştirilen Deney

Bu yeni sonuç ise farklı bir boyutta. Sedrakyan ve arkadaşları, deneyi özel deneysel bir kuantum bilgisayarı yerine, IBM’nin bulut platformu üzerinden kullanıcıların erişimine açık 120 kubitli süperiletken bir kuantum bilgisayarı olan Nighthawk r2 üzerinde yürüttü. İşlemcinin 61 kubitini seçip bu kubitleri, kubitlerin manipüle edildiği ve dolanık hale getirildiği tekrarlanan işlem yolları olan 40 döngüye kadar artan karmaşıklıkta rastgele devrelere maruz bıraktılar.

Ve önemli olan, deneyi platformun standart bulut iş akışı kullanarak, deney için özel olarak ayarlanmış herhangi bir kalibrasyon olmadan gerçekleştirmiş olmalarıydı. Araştırmacılar, devrenin 918 iki-qubitli kapı (gate) içerdiği 36 döngüde bir “ideal bölge” (Goldilocks zone) buldu. Bu koşul altında Nighthawk r2, 1 milyon örneği yalnızca 19 saniye içinde üretti.

Sedrakyan ve arkadaşları, deneyi “bulut üzerinden erişilebilen halka açık bir Kuantum İşlem Birimi (QPU) üzerinde, standart bulut yürütme yığını kullanarak” gerçekleştirdiklerini vurguladı ve başkalarının sonucu kendilerinin test edebilmesi için devreleri, örnekleri ve analiz kodunu yayımladı.

Bildiğimiz kadarıyla bu, çoğu uzman olmayan kuantum bilgisayarı kullanıcının kolayca yeniden üretebileceği, ticari ve geniş ölçüde erişilebilir bir kuantum işlemcisi üzerinde gerçekleştirilen, basit bir rastgele devre örnekleme için ilk kuantum üstünlüğü gösterimidir.

Tigran Sedrakyan ve arkadaşları, arXiv ön basım makalesinde

Klasik Bilgisayar İçin Hesaplanan Süre

Örnekleri üretmek sürpriz derecede kolay kısım olsa da, işinin klasik bir bilgisayar için ne kadar zor olacağı tahmin etmek çok daha zordur. Süperbilgisayarın bu görevi neredeyse imkânsız biçimde yerine getirmesi gerektiğinden ve dünyanın en iyi süperbilgisayarları yüksek talep gördüğünden, bilim insanları programı bir süperbilgisayara koyup sonucu izleyemezler.

Bunun yerine kullanabilecekleri bir araç var: Kuantum devresinin klasik bir bilgisayarda simüle edilmesinin hesaplama maliyetini tahmin edebilen, “tensor-ağ büzüştürme” (tensor-network contraction) adı verilen bir teknik. Bu yaklaşımı kullanan Sedrakyan ve arkadaşları, milyonluk örneklerinin yeniden üretiminin yaklaşık 1,2 × 10²⁷ hesaplama işlemi gerektireceğini hesapladı.

Dünyanın ilkexascale (eksaskal) süperbilgisayarı ve 2024 yılına kadar en hızlısı olan Frontier’in tepe performansının saniyede bir kvintilondan (1 × 10¹⁸) fazla olmasıyla, araştırmacılar işlemcinin bu başarısının, sürdürülebilir performans için daha muhafazakâr bir tahmin kullanıldığında yaklaşık 110 yıllık hesaplama süresine denk geleceğini hesapladı.

Bazı önemli uyarılar var. Söz konusu 110 yıl, klasik bilgisayarlar için temel bir hız sınırı değil, kuantum deneyinin belirli bir yeniden üretim yöntemi esas alınarak yapılan bir tahmindir. Tarih, klasik hesaplama araştırmacılarının kısayolları bulmada ne kadar iyi olduğunu zaten kanıtladı. Daha verimli algoritmalar, gereken iş miktarını dramatik biçimde azaltabilir.

Son Durum ve Yarışın Anlamı

Sedrakyan ve arkadaşları bu olasılığı açıkça kabul ediyor. İddiaları, hiçbir klasik bilgisayarın asla Nighthawk r2’nin performansına ulaşamayacağı değil; bu ölçüt kullanıldığında kuantum işlemcisinin, önemli ölçüde öne geçtiğidir. Bu, kuantum üstünlüğü yarışında atılan yeni bir toz pembesi (gauntlet) –üstünlük ruhuyla değil, her iki tarafı da daha iyi hesaplama yollarını bulmaya itecek, samimi bir rekabet ruhuyla ortaya konan bir meyil verme niteliği taşıyor.

Aslında bu yarışın sahne alışı bir gösterimi: Kuantum üstünlüğü, laboratuvara özel donanımlar değil, ticari açıdan erişilebilir donanımlar üzerinden kanıtlandı. Meyileme burada. Kim alır ve devam ettirir?

Bulgualar henüz hakem denitiminden geçmedi, ancak arXiv üzerinde bir ön basım erişime açık. Bu makale Rebecca Dyer tarafından doğrulandı ve Rebecca Dyer tarafından düzenlendi.