Kuantum Çip Dönüm Noktası, Bilgisayarın Geleceği İçin Heyecanı Tetikliyor

Yeni Bir Kuantum Hesaplama Dönüm Noktası

Kuantum hesaplama, yapay zekâyla birlikte teknoloji araştırmalarının önemli alanlarından biridir. Grafen, fotonik veya biyolojik organoidler gibi diğer alternatif hesaplama teknolojilerinden farklı olarak kuantum durumlarını bilgi işlemek için kullanır.

Klasik bitler ölçüldüklerinde 0 veya 1 değerini alır. Kübitler ise bu temel durumların süperpozisyonlarıyla tanımlanabilir; ölçüm yine belirli bir sonuç verir. Girişim ve dolaşıklık gibi etkiler, uygun algoritmalarla bazı sorunlarda klasik yöntemlere göre avantaj sağlayabilir. Bu, bütün hesaplamaların daha hızlı olduğu anlamına gelmez.

Google, Aralık 2024’te Willow çipinin belirli bir rastgele devre örnekleme testini beş dakikadan kısa sürede tamamladığını duyurdu. Şirket, aynı görevin seçtiği klasik süperbilgisayar karşılaştırmasında yaklaşık 10 septilyon, yani 10.000.000.000.000.000.000.000.000 yıl süreceğini tahmin etti. Bu süre bir modelleme tahminidir; genel amaçlı veya ticari bir iş yükü üzerindeki hızlanmayı göstermez.

Willow ayrıca hata düzeltmenin ölçeklenmesi açısından önemli bir sonuç sundu. Nature’da yayımlanan çalışmanın başlığı “Yüzey kodu eşiğinin altında kuantum hata düzeltme”.

Willow ile Tanışın

Google’ın söz konusu kuantum çipinin adı Willow.

Kaynak: Google

Willow, Google’ın Foxtail, Bristlecone ve Sycamore gibi önceki kuantum işlemcilerinin ardından geliştirdiği yeni nesil işlemcidir.

Kaynak: Google

Willow’un performansını değerlendirmek için rastgele devre örnekleme (RCS) testi kullanıldı. RCS, kuantum devrelerinin oluşturduğu çıktı dağılımlarından örnekleme yapar; klasik hesaplamayla bu örneklemenin maliyeti karşılaştırılır. Kübit sayısıyla klasik bit sayısını doğrudan eşitleyen bir ölçüm değildir.

Kaynak: Google

Ölçeklenebilirlik Yolunda İlerleme

Kübitler çevreyle etkileşimlerden ve kontrol hatalarından etkilenebilir. Kuantum bilgisini korumak bu nedenle temel bir sorundur.

Willow gibi süperiletken işlemciler çok düşük sıcaklıklarda çalışır. Ancak bütün kuantum bilgisayarlar süperiletken malzeme veya aynı soğutma yöntemini kullanmaz; iyon tuzakları, nötr atomlar ve fotonik gibi farklı yaklaşımlar da vardır.

Google’ın kuantum donanımı çalışmalarını yöneten fizikçi Julian Kelly, yararlı hesaplama için kuantum bilgisinin hem çevreden hem de uygulanan işlemlerin hatalarından korunması gerektiğini vurguladı.

Daha fazla fiziksel kübit eklemek, hata düzeltme olmadan sistemi kontrol etmeyi zorlaştırabilir. Fakat hata oranı yalnızca kübit sayısına bağlı değildir; donanım, bağlantılar ve hata düzeltme kodu da belirleyicidir.

Willow’un önemli sonucu, belirli bir yüzey kodunda daha büyük kodlarla mantıksal hata oranını düşürebilmesiydi.

Willow’un performansını Google’ın video sunumunda da inceleyebilirsiniz:

Hata Düzeltme

Kuantum hata düzeltme, bir mantıksal kübitin bilgisini çok sayıda fiziksel kübite yayarak hataları saptamaya ve düzeltmeye çalışır. Bu, yalnızca bazı düşük performanslı kübitleri yeniden ayarlamak değildir.

Kontrol ve kalibrasyonla fiziksel hata oranlarını azaltmak da önemlidir. Bu iyileştirmeler, hata düzeltme kodunun etkili çalışmasını destekler.

Kaynak: Google

Kalibrasyon ve hata çözümleme yazılımı geliştirilebilir. Donanım hatalarının azaltılmasıyla birlikte bu çalışmalar mantıksal güvenilirliği artırmayı amaçlar.

Kuantum Hata Düzeltme Eşiği

Yüzey kodunda fiziksel hata oranları uygun eşiğin altındaysa, kodun boyutunu artırmak mantıksal hata oranını azaltabilir. Willow çalışması bu davranışı tekrarlanan hata düzeltme döngüleriyle gösterdi. Sonuç, her koşulda yalnızca kübit eklemenin hatayı azaltacağı anlamına gelmez.

Google, 3×3, 5×5 ve 7×7 boyutlarında veri kübiti dizileriyle yüzey kodunu büyüttüğünde mantıksal hata oranını her adımda yaklaşık yarıya indirdiğini bildirdi. Kod, veri kübitlerinin yanında hata denetimi için ek kübitler de kullanır.

Google Quantum AI’nin 2024 açıklaması

Kaynak: Google

Bu düzende ek fiziksel kaynaklar, kuantum bilgisini daha güvenilir korumaya yardımcı oldu. Tam bir hataya dayanıklı bilgisayar için bellek korumasının ötesinde mantıksal işlemler ve diğer bileşenler de gereklidir.

Kübitlerin bilgiyi koruyabildiği süre de önemlidir. Farklı ölçütler farklı süreçleri tanımlar: T1 uyarılma durumunun gevşeme süresidir; bütün koherans ölçütleriyle aynı değildir.

Google, Willow’un T1 sürelerinin yaklaşık 100 mikrosaniyeye yaklaştığını bildirdi. Orijinal metindeki 2019 Sycamore için 20 mikrosaniye karşılaştırması da belirli bir tarih ve ölçüte ilişkindir.

Bu tür iyileştirmeler önemlidir, ancak tek başına kuantum bilgisayarların güvenilirliğinin üstel artacağını veya klasik Moore yasasının kuantum karşılığının kurulduğunu göstermez.

Google, sonucu ölçeklenebilir mantıksal kübitlere doğru güçlü bir adım olarak değerlendirdi. Bununla birlikte çalışmanın kendisi de pratik hesaplama için gereken hata oranlarıyla mevcut sonuçlar arasında hâlâ büyük fark bulunduğunu belirtiyor. Ticari açıdan yararlı algoritmaların çalıştırılması sonraki araştırmaların hedefidir.

Google Quantum AI’nin değerlendirmesi

Google bu gelişmeyi, süperiletken kuantum çiplerinin tasarımı ve üretimine yaptığı uzun vadeli yatırımla ilişkilendirdi.

Fiziksel Kübitlerden Mantıksal Kübitlere

Hataya dayanıklı kuantum hesaplama için mantıksal kübitler, birden çok fiziksel kübit kullanılarak kodlanır. Bazı kısa deneyler fiziksel kübitlerle doğrudan yapılabilir; mantıksal kübitler özellikle uzun ve güvenilir hesaplamalar için gereklidir.

Orijinal metin, bir mantıksal kübit için yaklaşık 1.000 fiziksel kübit gerekebileceğini ve bunun iyileştirmelerle 200’e düşebileceğini öne sürüyor. Bunlar kod, hata oranı ve hedef güvenilirliğe bağlı tahminlerdir; sabit bir dönüşüm oranı veya Willow’un gösterdiği sonuç olarak görülmemelidir.

Willow’un 2024’te tanıtılan işlemcisinde 105 fiziksel kübit bulunuyordu.

Sonraki Adımlar

Bu sonuç, daha güvenilir mantıksal kübitler geliştirmek için bir temel oluşturdu. Hatanın azalması, belirli eşiğin altında ve uygun hata düzeltmeyle kodun büyütülmesine bağlıdır.

Sonraki adımlar daha iyi fiziksel kübitler, daha büyük kodlar, daha hızlı hata çözümleme ve güvenilir mantıksal işlemler olabilir. Her yeni çipin otomatik olarak ticari kullanım için yeterli bir mantıksal kübit sağlayacağı kesin değildir.

Birden çok mantıksal kübit arasında güvenilir işlemler yapmak ve gerektiğinde modülleri birbirine bağlamak da gerekecektir.

Bu bileşenlerin bir araya getirilmesi, geniş ölçekli ve hataya dayanıklı kuantum hesaplama için önemlidir. Mevcut sistemlerin kuantum bilgisayar olmadığı veya ölçeklemenin sınırsız olacağı anlamına gelmez.

Kübitleri iyileştirmenin yanında farklı mimari ve ölçüm yaklaşımlarını da daha önce ele aldık:

• Nanomekanik rezonatörler: kuantum durumlarını ölçmek ve kontrol etmek için araştırılan yaklaşımlar.
• Süperiletken Doğrusal Asimetrik Endüktif Eleman (SNAIL) rezonatörü: sürekli değişkenli kuantum hesaplama ve kuantum durumlarının kontrolü için araştırılan süperiletken devre elemanlarından biri.
• Daha iyi süperiletken malzemeler: kuantum sistemlerinin kararlılığını artırmayı amaçlayan malzeme araştırmaları.

Google’ın sonucu önemli bir ilerlemedir; ancak ölçeklenebilir ticari kuantum bilgisayarların hazır olduğu anlamına gelmez.

Google Quantum AI lideri Hartmut Neven’in o dönemdeki açıklamaları da yararlı ticari uygulamaların zaman alacağına işaret ediyordu.

Neven, ilk yararlı uygulamaların kuantum etkilerinin önemli olduğu sistemleri benzetmekle ilgili olabileceğini belirtiyordu. İlaç araştırmaları, bataryalar ve füzyon sistemleri olası alanlar arasında sayılıyordu. On yılın sonuna ilişkin beklentiler bir geliştirme tahminidir, kesin bir teslim tarihi değildir.

Uygulamalar

Kuantum hesaplamanın çeşitli araştırma alanlarında potansiyeli vardır. Her uygulamada pratik avantaj sağlanması ayrıca gösterilmelidir:

• Biyokimyasal modelleme: moleküllerin kuantum özelliklerinin hesaplanması ilaç ve biyoteknoloji araştırmalarına katkı sağlayabilir. Bütün protein yapısı veya gen ifadesi sorunlarında üstünlük henüz gösterilmiş değildir.
• İklim modelleme: iklim modelleri karmaşıktır. Kuantum yöntemlerinin belirli alt sorunlara katkısı araştırılabilir, ancak daha ayrıntılı küresel iklim modellemesinde pratik üstünlük kesinleşmiş değildir.
• Yarı iletkenler: malzemelerin ve küçük ölçekli kuantum etkilerinin benzetimi çip tasarımına yardımcı olabilir. Klasik yarı iletkenleri geliştirmek için kuantum bilgisayar zorunlu değildir.
• Malzeme Bilimi: atomik ölçekte malzeme özelliklerinin daha iyi modellenmesi; batarya, havacılık, üretim ve diğer alanlarda yeni tasarımlara yardımcı olabilir.
• Kriptografi: yeterince büyük ve hataya dayanıklı kuantum bilgisayarlar RSA ve eliptik eğri gibi bazı açık anahtarlı yöntemleri tehdit edebilir. Bütün şifreleme yöntemleri aynı şekilde etkilenmez. Kuantum sonrası kriptografi bu riske karşı geliştirilmektedir.

Riskler

Kuantum hesaplamanın olası güvenlik etkileri arasında kriptografi önemli bir yer tutar. Risk, gerekli ölçekte hataya dayanıklı sistemlerin geliştirilmesine bağlıdır.

Willow duyurusunun ardından bazı yorumlarda Bitcoin gibi kripto varlıkların güvenliği tartışıldı. Willow’un kendisi bu sistemlerin şifrelemesini kıran bir makine olarak gösterilmedi.

Gelecekte yeterli kapasiteye sahip bir kuantum bilgisayar bazı dijital imza ve anahtar değişim yöntemlerini tehdit edebilir. Bu konu yalnızca kripto varlıkları değil finans, iletişim ve diğer dijital sistemleri de ilgilendirir. Risk her sistem için aynı değildir.

Askerî ve kamu haberleşmesi de etkilenebilecek alanlardandır. Ancak bütün şifrelemenin bir anda çökeceği veya her güvenlik sisteminin devre dışı kalacağı sonucu çıkarılamaz.

Çözüm yaklaşımları da vardır. Örneğin Apple (AAPL ) Şubat 2024’te iMessage için PQ3 protokolünü duyurdu. Kuantum sonrası yöntemlerle gelecekteki saldırılara karşı dayanıklılığı artırmayı amaçlayan bu tasarım, mutlak “kuantum geçirmezlik” garantisi değildir. Diğer kurumların geçişi de kendi altyapılarına ve güvenlik ihtiyaçlarına bağlıdır.

2024 Willow sonucu yakın bir kriptografik felaketin kanıtı değildi. Yine de bugün toplanan şifreli verilerin ileride çözülmesi ihtimali, uygun sistemlerde kuantum sonrası geçiş çalışmalarını şimdiden önemli kılar.

Kuantum Hesaplama Şirketi

Google, Quantum AI laboratuvarı ve Santa Barbara’daki kuantum araştırma yerleşkesi üzerinden bu alanda çalışıyor.

Google, 2019’da Sycamore ile belirli bir rastgele devre örnekleme görevini 200 saniyede tamamladığını ve klasik karşılığın 10.000 yıl süreceğini öne sürmüştü. Bu klasik maliyet tahmini tartışılmış ve sonraki yöntemlerle değişmiştir; genel hesaplama üstünlüğü anlamına gelmez.

Willow için bildirilen yeni karşılaştırma da kendi testine ve klasik simülasyon varsayımlarına bağlıdır.

Google’ın yazılım ve geliştirici araçları deneyimi de kuantum çalışmalarında önem taşıyabilir. Arama, Google Workspace ve Android’deki başarı, kuantum yazılımında aynı sonucu garanti etmez.

Google Quantum AI, kuantum algoritmaları geliştiren araştırmacılar için açık kaynak araçlar sunuyor.

Google, araştırmacıların, mühendislerin ve geliştiricilerin açık kaynak yazılımını ve eğitim kaynaklarını, ayrıca Coursera’daki kuantum hata düzeltme kursunu inceleyerek bu çalışmalara katılmasını teşvik ediyor.

Açık araçlar, donanım araştırmaları ve bulut hizmetleri Google’ın ekosistemde etkili olmasına yardımcı olabilir. Ancak geleceğin yazılım standartlarını belirleyeceği veya alanın yönünü tek başına kontrol edeceği kesin değildir.

Waymo’nun sürücüsüz araçları gibi yapay zekâ uygulamaları da Alphabet için büyüme fırsatları oluşturabilir(GOOG ). Bunun ticari katkısı ayrı değerlendirilmelidir; kuantum çipinin performansı doğrudan Alphabet gelir artışına veya hisse getirisine dönüşmez.