Kuantum Bilişimin Güncel Durumu

Kuantum Bilişim Farklıdır

Quantum computing, hesaplamalar yapmak için kuantum fiziğini kullanma fikridir ve bu, normal yarı iletken tabanlı bilişim yöntemlerinden farklıdır. 0 ve 1 (akım yok veya akım) üretmek yerine, parçacık verisinin aynı anda 0 VE 1, ya da 1, ya da 0 olabildiği “kuantum bitleri” (qubit) kullanır.

Hesaplama yöntemindeki temel fark nedeniyle, kuantum bilişim “normal” bilişime bir alternatiften çok bir tamamlayıcıdır.

Standart bilişim lineer bir şekilde çalışır ve iklim modellemesi, kriptografi veya proteinler gibi karmaşık moleküllerin 3B konfigürasyonu gibi çok karmaşık hesaplamalarla zorlanır. İşte kuantum bilişimin üstün performans göstermesi beklenen tam da bu tür hesaplamalardır.

Dolayısıyla, dizüstü bilgisayarlarımız ve akıllı telefonlarımız muhtemelen asla kuantum bilgisayarına dönüşmeyecek olsa da, bilimsel araştırmaları devrim niteliğinde değiştirebilirler.

Kuantum Bilişim Zordur

Bu nedenle, kuantum süper bilgisayarların mevcut olanlardan bin kat daha iyi performans göstereceği vaadiyle, onları gerçeğe dönüştürmek için çok sayıda araştırmanın yapıldığı şaşırtıcı değildir.

Ancak sorun, tek bir qubit bile oluşturmanın teknik olarak çok zor olmasıdır. İlk zorluk, kuantum bilişimin yalnızca mutlak sıfırın yaklaşık yüz derece üzerindeki ultra düşük sıcaklıklarda çalışmasıdır. Bu koşullarda ancak bazı benzersiz malzemeler süperiletken (elektrik direnci olmayan) hâle gelir. Bu, enerji tüketen, pahalı ve elde edilmesi zor bir süreçtir.

Ayrıca, bir qubit içindeki veriyi kontrol etmek, manipüle etmek ve “okumak” da karmaşıktır; genellikle ultra hassas lazerler, atomik mikroskoplar ve sensörler gerektirir. Son olarak, herhangi bir parazit qubit’i işe yaramaz hâle getirir, bu yüzden mükemmel bir vakum da sağlanmalıdır.

Yarı iletken çipler yalnızca birkaç atom ölçüsünde maddeyi manipüle ederken, kuantum bilişim maddeyi parçacık ölçeğinde ele almayı hedeflemektedir. Özellikle, pratik bir kuantum bilgisayarın kararlı kalması ve birbirleriyle etkileşebilmesi için binlerce qubit’e ihtiyacı olacaktır.

Kuantum Bilişim İlerliyor

1.000 Qubit Eşiğini Aşmak

Almanya’daki TU Darmstadt Fizik Bölümü’nde “Atoms – Photons – Quanta” araştırma grubunu yöneten Prof. Gerhard Birkl liderliğindeki bir ekip, şimdiye kadar yapılmış en büyük kuantum bilgisayarı yarattı.

1.000 ayrı ayrı kontrol edilebilen atomik qubit’e sahip bir kuantum bilgisayar yarattılar ve bu alanda birçok diğer bilim ekibine karşı bir yarışı kazandılar.

Kaynak: Optica

1.000 sayısı kısmen sembolik olmakla birlikte, kuantum bilgisayarların anlamlı bir şekilde uygulanabilmesi için gerekli olduğu öngörülen sayı civarındadır. Ondan daha az sayıda qubit, çoğunlukla bilimsel bir merak ve umut verici bir fikir olur, ancak çok daha fazlası değildir.

Teknik, atomları tek tek manipüle edebilen özel lazerler olan “optik çırpıcılar”ı (optical tweezers) kullanır. Mikroyoptik alanındaki ilerlemeler sayesinde, bu, çok daha büyük sistemler inşa etmek için ölçeklenebilir bir yöntem sunan en umut verici kuantum bilişim tekniğidir.

Kaynak: Optica

“Her bir santimetrekaredeki lenslet sayısı rahatlıkla 100.000’e ulaşmakta ve birkaç yüz santimetrekare alana sahip MLA wafer’ları üretilebilmekte, bu da ölçeklenebilirlik açısından muazzam bir potansiyele sahip oldukları anlamına geliyor; tek sınırlayıcı faktör mevcut lazer gücüdür.”

Bu tür optik çırpıcıların kullanımını mükemmelleştirerek Prof. Birkl, binlerce qubit’e sahip büyük kuantum bilgisayarların inşa edilebileceğini gösterdi. Bu da diğer araştırmacıların kuantum hesaplamaları yapması için gerekli temel aracı sağlayacaktır.

Fiziği Çözmek İçin Kuantum Simülatörleri

Fizikçilerin bugün mücadele ettiği birçok problem, kuantum ölçeğindeki parçacık davranışıyla ya da en azından 30’dan fazla parçacık simüle edildiğinde ortaya çıkar. Bu, sıradan bilgisayar sistemlerinin parçacıkların olasılıksal davranışı ve kuantum fiziğiyle başa çıkmakta zorlanması nedeniyle bir sorundur.

Bu sorunu çözmek için ideal durum, qubit’lerin kuantum parçacıklarının davranışını simüle edebileceği bir “kuantum simülatörü” geliştirmektir. Bunun nedeni, qubit’lerin kendileriyle dolanıklık ve üstün durum gibi kuantum özelliklerini kullanmasıdır; bu özellikler normal bir bilgisayarda simüle edilmesi çok zor olan bölümlerdir.

Kuantum simülatörler temelde özel bir kuantum bilgisayar türü olsa da, şu ana kadar sorun, her spesifik fizik sorusu için özel bir kuantum simülatör tasarlamak yerine, birçok farklı parçacığı simüle edebilmelerini sağlamaktı.

Natalia Chepiga ve araştırma grubu, Hollanda’daki Delft Teknoloji Üniversitesi’nde yardımcı doçent, bir çözüm bulmuş olabilir.

Kendisi, Physical Review Letters’da yayımlanan bir makalede tamamen kontrol edilebilir bir kuantum simülatörü yaratan bir protokol öneriyor. Bu, farklı frekans veya renkte iki lazer kullanarak hesaplamaya ekstra bir boyut ekleyerek çalışıyor. Teorik olarak, bu yöntem kuantum simülatör hesaplamalarına iki boyuttan fazla ekleyebilecek şekilde genişletilebilir.

Kaynak: TU Delft

Bu tür bir kuantum simülatörü, ultra soğuk fizik (süperiletkenler dahil), yarı iletkenler, malzeme bilimleri, telekomünikasyon ve enerji teknolojileri (özellikle bataryalar) gibi mevcut bilgimizin en uç noktalarındaki birçok araştırma çabasına büyük bir ivme kazandırabilir.

Qubit’ler Yerine QuDits

Çoğu kuantum bilişim tasarımı qubit’lere odaklanır ve bunları daha kolay manipüle/ program edilebilir ve sayısını artırmak üzerine kuruludur. Alternatif olarak kuantum basamakları, yani “qudits” kullanılabilir.

“x qubit’li bir kuantum bilgisayar 2^x hesaplama yapabilir. Ancak, D her qudit başına durum sayısını temsil eden bir makine, x sayıda qudit ile D^x hesaplama yapabilir.

Bu, qudit kullandığınızda aynı bilgiyi daha az kuantum parçacığında kodlayabileceğiniz anlamına gelir.

Martin Ringbauer, Avusturya’daki Innsbruck Üniversitesi’nde kuantum fizikçisi, IEEE Spectrum

Daha basit bir ifadeyle, bir kuantum bilişim sistemindeki D boyutu arttıkça, sistem üssel olarak daha güçlü hâle gelir. Quid’ler yerine qudit’ler kullanarak daha verimli hesaplama yapmanın yanı sıra, qudit’lerin daha güvenilir olması ve qubit’lere göre hata yapma olasılığının daha düşük olması beklenmektedir.

Bu nedenle, Andrea Morello liderliğindeki bir araştırmacı ekibi, Avustralya’daki USNW’de 16 boyutlu, yüksek kontrol edilebilir bir qudit bilişim sistemi geliştirdiği büyük bir haber. D=16 olduğunda, sisteme eklenen her qudit miktarı, hesaplama kapasitesini 16. bir güçle artırır.

Bunu başarmak için, silikon nanoelektronik cihazına iyon implantasyonu yapılan bir 123Sb (antimon) bağlayıcı atom kullandılar.

“Atomun birleşik Hilbert uzayı 16 boyuta yayılmıştır ve hem elektrik hem de manyetik kontrol alanlarıyla erişilebilir. Andrea Morello”

Bu sistem dikkat çekici sonuçlar elde etti; özellikle, “nükleer spin, sürücü mekanizmasından bağımsız olarak %99’un üzerinde kapı doğruluğu gösteriyor”. Antimon atomu, daha önce kullanılan 31P (fosfor) üzerine bir iyileştirmedir; antimon daha ağır bir atom olduğu için manipüle edilmesi daha kolaydır.

Bu teknik ve bilimsel başarı, izotopik olarak saflaştırılmış 28Si (silisyum) kullanımı, kalan 29Si konsantrasyonunun giderilmesi ve sistemin güvenilirliğinin (koherens süreleri ve kapı doğrulukları) artırılmasıyla daha da geliştirilmektedir.

Kuantum Bilişim Gelişiminin Durumu

Alan hâlâ çok erken bir aşamada ve kullanılabilir qudit’ler ya da programlanabilir kuantum simülatörleri gibi tamamen yeni kavramlar ortaya çıkmaktadır.

1.000+ qubit sistemlerinin yaratılmasındaki ilerlemeyle birleştirildiğinde, kuantum bilişimin önümüzdeki on yıllarda çok önemli bir bilimsel alan olacağı ve muazzam keşfedilmemiş potansiyele sahip olduğu görülmektedir.

Şu anda, malzeme bilimi veya biyokimya araştırmaları AI tarafından desteklenmektedir; bu konuyu “Temel Bir Teknoloji Çevresinde Birleşen Yıkıcı Endüstriler – Yapay Zeka (AI)” makalemizde tartıştık.

Ancak yakında, önümüzdeki 5-10 yıl içinde, kuantum bilişim hesaplamalarının pratik sonuçlarını görmeye başlayabiliriz. Donanım artık düşünce deneylerinden ve laboratuvar gösterimlerinden ticari araştırma bilgisayarlarının prototiplerine geçiyor.

Bir sonraki adım, kuantum bilişimin potansiyelini en üst düzeye çıkarabilecek yazılımların geliştirilmesi ve maliyetleri düşürmek ve belli bir standart sağlamak için ölçekli kuantum bilgisayarların üretimine başlanması olacaktır.

Dolayısıyla, birçok açıdan kuantum bilişim, ilk ticari bilgisayar ana makinelerinin 1950 ve 1960’larda ortaya çıktığı ve sonraki on yıllarda yaygın bir iş ve araştırma aracı haline geldiği aşamaya benzemektedir.

Kuantum Bilişim Uygulamaları

Tam olarak tahmin etmek zor olsa da, kuantum bilişimin daha yaygın hale gelmesinden büyük ölçüde faydalanacak birkaç segmenti zaten biliyoruz:

• Biyokimyasal modelleme: bir proteinin 3B şeklini belirlemekten gen ifadesine, karmaşık biyolojik moleküllerin atom seviyesine kadar hesaplamalar biyoteknoloji araştırmalarını devrim niteliğinde değiştirebilir.
• İklim modellemesi: İklim modelleri son derece karmaşıktır ve mevcut süper bilgisayarların sınırlarını zorlar. Daha ince bir hesaplama ölçeğiyle, coğrafi ve zaman açısından, iklim değişikliği risklerini anlamaya yardımcı olabilir.
• Yarı iletkenler: Kuantum bilgisayarlar, normal bilgisayar çiplerini çok daha güçlü hâle getirebilir. “Normal” çipler artık nanometre ölçeğine ulaştıkça, kuantum fenomenleri giderek sorun yaratmakta ve bunları çözmek için kuantum bilgisayarlara ihtiyaç duyulabilir.
• Malzeme Bilimi: Kuantum fiziğini daha iyi anlamak ve malzemelerin tek tek atom seviyesindeki tepkilerini kavramak, uzay araçları, bataryalar, 3B baskı, imalat vb. alanlarda kullanılan malzemeler için yeni tasarımlara kapı açabilir.
• Kriptografi: Kuantum bilgisayarlar mevcut tüm kriptografi yöntemlerini geçersiz kılabilir. Bu, askeri, finansal ve BT sistemleri için ciddi bir endişe oluşturur. Ancak aynı zamanda kriptografiyi daha da güvenli hâle getirebilir.

Kuantum Bilişim Hisseleri

1. International Business Machines Corporation

IBM Fiyat Grafiği

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM), ilk ana bilgisayarın ticarileştirilmesinin öncü gücüydü. Ancak Apple (AAPL ), TSMC ve NVIDIA gibi diğer teknoloji devlerinin gerisinde kalmıştır.

Bununla birlikte, kuantum bilgisayarların geliştirilmesinde ön saflarda yer alıyor. Örneğin, 127-qubit’lik “Eagle” kuantum bilgisayarını geliştirdi ve ardından “Osprey” olarak bilinen 433-qubit’lik bir sistem geldi.

Ve bu, şu anda “Condor” adlı, çapraz rezonans kapı teknolojisine dayanan 1.121 süperiletken qubit kuantum işlemcisi ve alanın en uç noktasındaki “Heron” kuantum işlemcisiyle birlikte gelmektedir.

Son olarak, IBM Şubat 2024’te Qiskit 1.0’ı yayınladı; bu, devre oluşturma, derleme süreleri ve bellek tüketiminde önceki sürümlere göre iyileştirmeler sunan en popüler kuantum bilişim SDK’sıdır.

İleriye bakıldığında, IBM mevcut kuantum çiplerinin mevcut altyapıyı ‘aşması’ beklentisiyle bir sonraki büyük hedefini duyurdu. Bu hedef ‘IBM Quantum System Two’ olarak biliniyor; 16.632 qubit’e kadar destekleme potansiyeline sahip bir modüler sistem.

IBM’in gücü, kuruluşundan bu yana ultra güçlü süper bilgisayarlar geliştirmesinde olmuştur; bu pazar segmenti tüketici elektroniği ve standart çiplerin yükselişiyle gölgede kalmıştır. Kuantum bilişimin ortaya çıkması, IBM’in yeniden parlaması ve bilimsel araştırma ile büyük şirketlerin bilişim ihtiyaçları için bu önemli yeni segmentte lider hâle gelmesi için bir fırsattır.

2. Microsoft Corporation

“Normal” bulut hizmetlerinde zaten bir lider olan Microsoft (MSFT ), Azure Quantum ile kuantum bilişim bulut hizmetleri sunmada öncüdür. Gelecekte kuantum bilişimin büyük bir kısmının araştırmacılar tarafından “uzaktan”, Microsoft gibi bulut hizmetlerine dayanarak yapılması tamamen mümkündür; kendi kuantum bilgisayarlarına doğrudan erişim yerine.

Bu özellikle olasıdır çünkü nihayetinde kuantum bilişim uygulamalarının çoğu, kuantum bilişimi konusunda özel bir geçmişi olmayan biyokimyacılar, malzeme bilimi uzmanları, iklim bilimcileri ve diğer uzmanlar tarafından araştırılacaktır. Bu yüzden IBM, Microsoft veya Google gibi firmalarda çalışan uzman profesyonellere bilişim kısmını devretmek, alana yabancı kişileri işe almak ya da eğitmekten daha mantıklıdır.

Hizmet ayrıca “hibrit bilişim” sunabilir; kuantum bilişimi geleneksel bulut tabanlı süper bilgisayar hizmetiyle birleştirir.

Kaynak: Microsoft

Dikey entegrasyon yerine, Microsoft’un kuantum bilişim yaklaşımı, kuantum bilişimi gerçekleştirmek için mümkün olan tüm teknolojileri kapsayan alandaki liderlerle ortaklıklar kurmak olmuştur; örneğin IonQ (IONQ), Pasqal, Quantinuum, QCI (QUBT) ve Rigetti (RGTI).

Kaynak: Microsoft

Kuantum bilişim, en azından şu an için, Microsoft’un işinin merkezinde yer almıyor. Ancak sektörün merkezi bir aktörü olmaya devam ediyor ve QCI veya Rigetti gibi halka açık kuantum bilişim ortaklarının hisselerini doğrudan satın almaktan daha “güvenli” bir hisse seçimi olabilir.

3. Alphabet Inc.

Google, kuantum bilişimde çok aktiftir; çoğunlukla Google Quantum AI laboratuvarı ve Santa Barbara’daki Quantum AI kampüsü aracılığıyla.

Google’un kuantum bilgisayarı, 2019’da Sycamore makinesiyle “kuantum üstünlüğü” elde ettiğini iddia ederek tarih yazdı; 200 saniyede bir hesaplama yaparak geleneksel bir süper bilgisayarın 10.000 yıl alacak bir işi gerçekleştirdi.

Ancak Google’un en büyük katkısı muhtemelen yazılımda olacaktır; bu alanda donanımdan (arama, G Suite, Android vb.) çok daha iyi bir geçmişi vardır. Google’un Quantum AI’sı, bilim insanlarının kuantum algoritmaları geliştirmesine yardımcı olmak için tasarlanmış bir yazılım paketi sunmaktadır.

Google, kuantum bilişim yazılımı ve programlamasının standartlarını belirleyen şirketlerden biri olma ihtimali yüksek; bu da alanın gelecekte nasıl evrileceğine yön verecek ayrıcalıklı bir konum sağlar.

4. Quantinuum / Honeywell

Quantinuum, Honeywell Quantum Solutions ve Cambridge Quantum’ın (ve daha önce bahsedildiği gibi Microsoft kuantum bulut bilişiminin bir ortağı) birleşmesinin sonucudur.

Quantinuum şu anda, diğer kuantum bilişim sistemlerinin daha az keşfettiği segmentlere, özellikle finansal ve tedarik zinciri analizlerine, Eylül 2023’te başlatılan Quantum Monte Carlo Integration (QMCI) motoru aracılığıyla odaklanıyor gibi görünüyor.

QMCI, finansal türevlerin fiyatlandırılması veya yüksek enerjili parçacık fiziği deneylerinin sonuçlarını simüle etme gibi analitik çözümü olmayan problemlere uygulanır ve işletme, enerji, tedarik zinciri lojistiği ve diğer sektörlerde hesaplamalı ilerlemeler vaat eder.

Microsoft gibi, kuantum bilişim Honeywell’in işinin merkezinde yer almıyor; daha çok uzay, otomasyon ve özel kimyasallar & malzemeler ürünlerine odaklanıyor.

Bununla birlikte, bu iş segmentlerinin her birinin kuantum bilişimden fayda sağlayabileceği göz önüne alındığında, Honeywell’in bu alana dahil olmasının iş mantığını görmek zor değil.

Bu nedenle Honeywell, hem kuantum bilişim hizmeti sağlayıcısı hem de kuantum bilgisayarların gerçek iş vakalarına uygulanmasından fayda sağlayabilecek şirketlerden biri konumunda; Quantinuum’un gruba entegrasyonu, endüstriyel rakiplerine göre daha hızlı bir şekilde bu süreci destekleyecektir.

5. Intel

Intel (INTC ), büyük bir çip üreticisi ve bu gücünü kuantum bilişim alanına yönlendirmeyi hedefliyor gibi görünüyor.

Yakın zamanda “Tunnel Falls”, “en gelişmiş silikon spin qubit çipi” yayınladı. Dikkate değer olan, bunun bir prototip olmaması, çipin ölçekli olarak üretilmesi, wafer boyunca %95 verim oranı ve voltaj uniformitesine sahip olmasıdır. Bu, şu anda yeni ve hızla değişen bir sektörde nadir olan kuantum bilişim çiplerinin seri üretimine kapı açıyor.

Kaynak: Intel

Köklerine sadık kalan Intel, çiplerini kullanmak için yazılım da geliştiriyor; Intel Quantum SDK’yı yayınladı. Bu, programcılara Intel kuantum çip tasarımıyla uyumlu kuantum bilişim yazılımı geliştirmeleri için bir rehber sunar; bu tasarım tarihsel olarak Intel’in geleneksel çip işinde çok güçlü ve kârlı bir iş koruması olmuştur.

Kaynak: Intel

Ölçeklenebilir kuantum çip üretiminin ortaya çıkması, sektörde diğer teknik bilimsel atılımlara benzer devrim niteliğinde olabilir; maliyetleri düşürür ve ortak programlama standartları ile çip mimarileri oluşturur.

Intel, bu gücün bilişim endüstrisinde ne kadar etkili olacağını deneyimlemiş bir şirkettir; 1960’lardan itibaren yenilikleri ve ilgili patentleriyle hâlâ ilerlemektedir.

6. Defiance Quantum ETF

Kuantum bilişim sektörü hâlâ çok genç. Şimdiye kadar, bu tür temel araştırmalara milyarlarca dolar yatırabilecek derin ceplere sahip büyük teknoloji şirketleri tarafından büyük ölçüde ele geçirilmiştir.

Bununla birlikte, alanda aktif olan birçok daha küçük şirket de var; bazıları bu devlerle ortaklık kurarak teknolojilerini dağıtıyor.

Uzman olmayan yatırımcılar için farklı kuantum bilişim teknolojilerinin karmaşıklığını anlamak, hangilerinin ticari olarak başarılı olacağını tahmin etmekten daha zor bir görev olabilir.

Dolayısıyla, küçük kuantum bilişim girişimlerine doğrudan yatırım bir seçenek olsa da, bir diğer seçenek sektöre maruz kalmak ve daha düşük maliyetle çeşitlendirme sağlamak için bir ETF’ye güvenmektir.

Defiance Quantum ETF, portföyünde kuantum bilişimle ilgili 69 farklı hisse bulundurur; bunlar arasında kuantum bilgisayar ve çip geliştiricileri, ayrıca soğutma sistemleri, lazerler, yazılım ve kuantum bilgisayarları ya da kuantum çip üretiminde kullanılan diğer teknolojilerin tedarikçileri yer alır.

Kaynak: Defiance ETF

Bu hızlı gelişen alanda, yarı iletken endüstrisine aşina olan yatırımcılar dâhil, çoğu yatırımcı çeşitlendirmeden fayda sağlayacaktır. Bu, doğru ortaklık seçimleri yapan bireysel teknoloji devlerine bahis yaparak ya da geniş bir hisse yelpazesiyle, genellikle özel bir ETF aracılığıyla daha verimli bir şekilde gerçekleştirilebilir.