Google’ın Kuantum Çipi Willow ve Çoklu Evren

Bu evren kastı, diğer evrene geçelim mi?

Konuya belki de en magazinsel kısmından girmiş oldum. Ama ağır bir konuya önce hafiften başlayarak girmenin daha iyi olacağını düşündüm. Yoksa şimdi size kuantum fiziğini anlatmaya matematik denklemleri ile başlasam muhtemelen çoktan okumayı bırakırdınız. Zaten o kısımlara hiç girmeyeceğim merak etmeyin. Bu yazının konusu değiller. Fizik ve matematik ile ilgili arkadaşlar zaten bu konuları biliyorlardır ya da duymuşlardır. Bizim konumuz Google’ın geçtiğimiz hafta duyurduğu kuantum çipi olan Willow ve tabii ki kuantum bilgisayarlar.

Hadi gelin önce, önemli noktaları netleştirelim, sonra da birkaç adım geriye giderek geçmişten günümüze getirelim her şeyi.

Şu anda kullandığımız bilgisayarlar, akıllı telefonlar, otomobiller ve hatta her türlü elektronik cihazın çalışma prensibi aslında basit. Temel fizik yasalarına dayanır. Her türlü işlem elektriğin var ya da yok olmasına dayanır. Buna açık - kapalı ya da 1 veya 0 da diyebiliriz. Dolayısı ile bu durumların her biri birer “bit” olarak tanımlanıyor. Ve sadece bu rakamların kullanıldığı ikili sayı sistemi tüm elektronik cihazlar için temel teşkil ediyor. Mesela bu bitlerden sekiz tanesi bir araya geldiğinde bir “byte” oluyorlar. Ve tüm harf, rakam ve karakterler birer byte olarak tanımlanıyor.

20. yüzyılın en önemli buluşlarından biri olan transistör, yukarıdaki 1 ve 0’ları anahtarlayarak hesaplamalarda da kullanan bir elektronik devre parçası. 1947 yılında meşhur Bell laboratuvarlarından tüm dünyaya yayılan bu buluş bizim şu anda kullandığımız bilgisayarların masamıza, çantamıza ve hatta cebimize girmesini sağladı. 1947’den bugüne kadar evrim geçiren transistörler boyut olarak gözle görülemeyecek kadar küçüldüler. Hatta iki transistörün arasındaki boşluğu temsil eden üretim teknolojisi 3 nanometreye inmiş durumda. Ama bir şey değişmedi. Hala elektriğin var veya yok olması prensibi ve 1-0 çiftinden oluşan ikili sayı sistemi.

Quantum kelimesinin Türkçe'ye geçmiş hali olan "kuantum" da "en küçük enerji birimi" veya "kesikli miktar" anlamında kullanılır.

Klasik fizik ve matematiğe sırtını dayayan günümüzün konvansiyonel elektronik cihazları için alternatif oluşturacak kuantum fiziği(mekaniği) ise çok eski bir tarihe sahip değil. Geçtiğimiz yüzyılın başlarında ismini sıkça duyduğunuz bilim adamları tarafından ortaya atılan bazı teoriler ile kuantum fiziğinin temelleri atıldı. Atom ve atom altı parçacıklara dayalı olan kuantum fiziğinin ileri detaylarına girmeyeceğim. Uzmanı değiliz, olmaya da gerek yok.

Ünlü fizikçi Richard Feynman'ın şöyle demiş: “Eğer kuantum teorisini anladığınızı düşünüyorsanız, hiçbir şey anlamamışsınız demektir."

Kuantum fiziği temel alınarak geliştirilen kuantum bilgisayarları bildiğimiz ve alıştığımız bazı standartları yıkıyor. Normal bilgisayarlardaki “bit” kavramı burada yerini “qubit” e bırakıyor. Kuantum bilgisayarlarının temel bilgi birimi olan kübit (Türkçe olarak devam edeceğim) bildiğimiz bit’lere göre bayağı farklı. Klasik bir bit sadece 0 veya 1 değerini alabilirken, bir kübit aynı anda hem 0 hem 1 durumunda bulunabilir. Bu özelliğe “süperpozisyon” adı veriliyor. Bayağı garip değil mi?

Ayrıca iki veya daha fazla kübit birbiriyle "dolaşık" hale gelebilir. Bu durumda, kübitlerin durumları birbirine bağımlı olur. Kuantum’un temelini oluşturan bu süperpozisyon durumunu birçok bilim adamı hepimizin rahat anlayabileceği basitliğe indirgemek için uğraş vermiş. En meşhuru sanırım Schrödinger'in kedisi deneyidir. Ama bundan bile nasıl basit anlatılır derseniz sizinle şu görseli paylaşabilirim.

Buna da Schrödinger'in tabakları diyeni duydum. Ama elbette bir bilim adamının paylaşımı değil. Lakin süperpozisyonu çok kolayca açıklayabiliyor. Gördüğünüz gibi bu tabaklar hem sağlam hem de kırık. Dolabın cam değil de kapalı bir kapağı olduğunu da düşünürseniz bu tabaklar siz dolabı açana kadar iki durumda da bulunuyorlar. Ne zaman kapağı açıyorsunuz (kuantum fiziğindeki gözlem) kırık durumuna geçiyorlar.

Peki bu kuantum bilgisayarlar klasik bilgisayarlara nasıl fark atıyorlar? O zaman en basit haliyle anlatayım:

Klasik bilgisayarda 3 bit'iniz var diyelim. Bu 3 bit ile sadece bir sayı tutabilirsiniz. Mesela "101" tutuyorsanız, aynı anda "100" ya da "111" tutamazsınız

Kuantum bilgisayarda 3 kübit'iniz var. Bu 3 kübit aynı anda "000", "001", "010", "011", "100", "101", "110" ve "111" değerlerinin hepsini tutabiliyor Yani tek seferde 8 farklı sayıyı aynı anda işleyebiliyorsunuz

Bu temel kuantum ilkeleri sayesinde kuantum bilgisayarları çok hızlı hesaplama yapabilirler. Google’ın Willow çipini görmüşsünüzdür. Avuç içine sığan bir çip. O zaman artık kendi evlerimize de birer kuantum bilgisayarı alırız değil mi? Maalesef hayır. Hala alamayız. Bu gördüğümüz çip kuantum bilgisayarının sadece bir parçası. Hesaplamaları bu çip yapıyor. Ama hesaplamaları yapabilmek için gerekli olan kübitlerin bulunduğu oldukça büyük bir parça var.

Çan veya avize şeklindeki bu parça bir soğutma sistemi ve "dilüsyon buzdolabı" (dilution refrigerator) olarak adlandırılır. Çünkü bu kübitlerin mutlak sıfıra yakın derecede (-273,15°C'ye çok yakın) durmaları gerekir. Bu derece soğuk olması gerekir çünkü kübitler termal gürültüden (oluşabilecek ısı değişimleri) çok kolay etkilenir ve kararsız duruma geçerler. Yani süperpozisyon yeteneğini kaybederler. Bunu sağlamak için katmanlı bir yapı vardır. En dıştaki katman oda sıcaklığındadır. İç katmanlar kademeli olarak daha soğukturlar. En içteki katmanda kübitler bulunur. Evet, evimiz için birer kuantum bilgisayarı alamayacağımızı anladığımıza göre (en azından şimdilik) devam edebiliriz.

Bugün kullanıyor olduğumuz bilgisayarları ve kuantum bilgisayarlarının çalışma şekillerini kabaca anlattıktan sonra, kuantum bilgisayarlarının gelişme sürecini ve bu konuda çalışan firmaları tarihsel akışta inceleyebiliriz.

Teori çalışmalarını bir kenara bırakacak olursak çalışan ilk örnek kuantum bilgisayar, 1998 yılında IBM ve Oxford Üniversitesi ortaklığı ile geliştirildi. 2 kübitlik oldukça mütevazi bu bilgisayar ile kuantum bilgisayarları ete kemiğe büründü. Dikkatinizi çekerim 1998 yılında. Sadece 26 yıl önce. 2000'li yıllarda kübit sayıları sürekli arttı.

Bu arada neden bir anda yüzlerce kübite sahip bilgisayarlar yapılmadı diye düşünüyor olabilirsiniz. kübitleri arttırmanın önünde birkaç önemli teknik zorluk var. Öncelikle kübitler çok hassaslar ve çevreyle etkileşime girince kuantum özelliklerini kaybediyorlar.

Kübit sayısı arttıkça, sistemin kuantum özelliğini kaybetme olasılığı katlanarak artıyor ve bu yüzden her yeni qubit sistemi daha kırılgan hale getiriyor. Aynı zamanda her kübit belirli bir hata oranıyla çalışır, sayı arttıkça toplam hata oranı da üslü olarak artar. Tabii ki bir de yukarıda gördüğünüz soğutma sisteminin dizaynı fiziksel olarak da kısıtlıdır.*

Buradaki kırılma noktası 2019’da Google’ın 53 kübitlik Sycamore işlemcisiyle "kuantum üstünlüğü"nü kazanmasını ilan etmesi idi. Sycamore süper bilgisayarda 10.000 yıl sürecek hesaplamayı 200 saniyede yaptı (Google’ın iddiası bu yönde en azından)

Kuantum üstünlüğü bir kuantum bilgisayarın klasik süper bilgisayarların makul sürede çözebileceği bir problemi çözebilmesi durumudur.

Fakat kuantum konusunda ilk çalışan bilgisayarın sahibi IBM buna hemen itiraz etti. IBM, "kuantum üstünlüğü" teriminin yanıltıcı olduğunu düşünüyordu ve bunun yerine "kuantum avantajı" teriminin kullanılmasını önerdi. IBM'e göre Google'ın çözdüğü problemin pratik bir uygulaması yoktu ve klasik süper bilgisayarların optimize edilmiş algoritmalarla bunu 2,5 günde yapabileceğini iddia etti. Yani iddia edilen 10.000 yıl değil sadece 2,5 gün. Yine de 2019 tarihi kuantum bilgisayarlar açısından bir milat kabul ediliyor. Üstünlük veya avantaj… Ne derseniz deyin artık bir gerçek vardı. Kuantum bilgisayarlar -belli hesaplamalarda- normal bilgisayarlardan daha hızlıydı.

Bu tarihten günümüze kadar IBM ve Google’ın başını çektiği şirketler kuantum bilgisayarları geliştirmeye devam ettiler. Honeywell, Microsoft, Amazon, Intel gibi ABD merkezli şirketlerle Alibaba gibi Çinli şirketler bu teknolojiyi daha ileri seviyeye getirebilmek için çok önemli çaba sarfediyorlar.

“Masada mıyız?” diye sorarsanız Kasım’ın sonunda TOBB Üniversitesi ve Aselsan’ın tanıttığı 5 kübitlik “QuanT” isimli bir kuantum bilgisayara sahibiz. Elbette bir yerlerden başlamak şart ama kesinlikle daha hızlı hareket etmeliyiz. 20 yıl gerideyiz, bu arayı kapatmamız şart.

Google, IBM, Amazon, Microsoft gibi firmalar büyük hesaplama ihtiyacı olan müşterileri için kuantum bilgisayarlarını bulut sunucu mantığında kiralıyorlar. Çok büyük oldukları için bunları kiralayıp uzaktan hesaplamaları yapmak en mantıklısı. Ama “benim birkaç on milyon dolarım var. Kendi garajıma bir kuantum bilgisayar koyayım, lazım olur diyenlerdenseniz” Kanadalı D-Wave firması bunlardan size sağlıyor. Aşağıda göreceğiniz büyüklükte bir kuantum bilgisayarının günahı yaklaşık 15 milyon dolar. Buna bakımları dahil değil.

Konuyu birazcık kavradı isek geçen haftaya gelelim. Google yeni çipi olan Willow’u tanıttı. Bu tanıtım da oldukça iddialı idi. 105 kübite sahip bu çip şu an dünyadaki en güçlü süper bilgisayarın ancak 10 septilyon yılda çözeceği problemi 5 dakikada tamamlayabiliyor. Ama üstte yazdığım gibi kübit sayısı arttıkça hata oranının da üslü olarak artıyor olması gerekiyor. Google’ın asıl büyük ilerlemesi bu konuda olmuş. Hakemli bilimsel bir dergi olan “Nature” da Google mühendisleri tarafından yayınlanan makale (oldukça teknik olduğu için detaya giremiyorum) “Quantum Error Correction” konusunda farklı bir yol izleyerek ciddi şekilde çözüm konusunda ilerleme kaydettiklerini gösteriyor. Bu oldukça heyecan verici.

Bu arada şunu belirtmeden geçmek istemiyorum. Google ve diğer firmalar arasında kuantum çiplerinin performansını değerlendirmek açısından farklılıklar var. Google, Willow’un başarısını rastgele devre örnekleme (RCS) adı verilen bir test üzerinden değerlendiriyor. Rakipleri IBM ve Honeywell ise kuantum bilgisayarların performansını değerlendirmek için "kuantum hacmi" (quantum volume) adı verilen farklı bir ölçüm kullanıyor. Bu metrik, bir makinenin genel kapasitesini ve kübitlerin (kuantum bitleri) birbiriyle etkileşimini dikkate alıyor. Google “kuantum hacmi” bilgisi vermediği için ürünleri birbiri ile karşılaştırmak maalesef zor.

Bu kadar teknik detaydan sonra biraz da bu bilgisayarlarla neler yapabiliriz, kuantum geleceğimizi nasıl değiştirecek bunlara bakalım istiyorum. Şu andaki kuantum bilgisayarlar her türlü hesaplamada kullandığımız bilgisayarlardan hızlı değiller. Özel bazı hesaplamalarda fark yaratabiliyorlar. Gelecekte bunun her türlü hesaplamada öne geçmesi bekleniyor. Yine de evimizde ya da iş yerimizde basit Excel hesaplamaları veya muhasebe programları için kuantum bilgisayar kullanmamız pek mantıklı olmayacaktır. Bu tür basit işler için hala “normal” bilgisayarları kullanmaya devam edeceğiz büyük ihtimalle. Ama kuantum bilgisayarlar hayatımızı kesinlikle değiştirecek. Örnek olarak:

• Sağlık. Muhtemelen en çok yaralanacağımız alan bu olacak. Çünkü yeni ilaçların ve bunların içindeki moleküllerin keşfi için şu anda bile kullanılıyorlar. Moleküler etkileşimleri çok daha hızlı simüle edebiliyorlar. Örneğin, kanser tedavisinde kullanılacak yeni bir ilacın geliştirilmesi on yıllar yerine birkaç ayda tamamlanabilecek. Hastalıkların teşhisi de çok hızlı olacak. MR görüntüleri saniyeler içinde analiz edilip kanser teşhisi konulabilecek. Ve bunlar için her hastanenin kuantum bilgisayarı almasına gerek yok. Bunlar bulut üstünden kullanılabilirler.

• Yapay Zekâ. Şu anda “normal” bilgisayarlarda eğitilen yapay zekâ araçları bile tüm dünyayı değiştirdi. Bir de YZ modellerinin eğitiminin daha hızlı yapılabildiğini düşünün. On binlerce Nvidia çipine ihtiyaç duymadan eğitilebilecekler. Yapay zekâ firmaları sürekli daha güçlü araçları ve modelleri bize sunarken kuantum bilgisayarlarının daha da gelişmesi ile birlikte yapay zekâ artık daha yetenekli, daha başarılı olacak.

• Finans. Krediler, portföyler ya da sigorta risk değerlendirmeleri. Oldukça büyük işlem gücü gerektiren bu işlemler artık çok hızlanacak. İnanılmaz hesaplama gücü ile bireysel yatırım işi sona erecektir. Şu anda bile büyük borsaların işlemlerinin %60-75 arası bilgisayarlar tarafından algoritmik olarak yapılıyor. Muhtelen bu oran %100’e yaklaşacak. Bu işlemleri kuantum bilgisayarlar en iyi “broker” dan daha iyi yapabilir.

• Siber güvenlik. Gerçekten kırılması çok zor şifrelemelere sahip olacağız. Ama bu sırada güvenilir olarak inandığımız tüm şifreler kırılacak. Sonra kırılması zor yeni şifrelemeye ve şifrelere kavuşacağız.

Bu maddeler uzatılabilir. Saydıklarım muhtemelen ilk hissedeceğimiz ve en hızlı etki yaratan değişimler olacak. Süre verebiliyor musun derseniz benim tahminim hepimizin ömrünün bunları görmeye yeteceği. Yani on yıllar sürmeyecek. Belki de geçiş çok hızlı olacak ve kuantum bilgisayarlara geçtiğimiz anlamayacağız bile.

Yazının girişindeki çoklu evren meselesine gelirsek. Çoklu evren veya multiverse teorisi, bizim evrenimizin yanı sıra başka evrenlerin de var olabileceğini öne süren bir fizik ve kozmoloji kavramıdır. Kuantum fiziğindeki süperpozisyondaki farklı olasılıkların her birinin farklı bir evrende gerçekleşiyor olabilir mi? Kuantum bilgisayarlarının bunu kanıtlayabileceği düşünülüyor ama çoklu evrenlerin varlığını doğrudan kanıtlayamazlar. Zaten çoklu evren teorisi hala tartışmalı bir konu.

Kuantum bilgisayarlar bize sadece dolaylı kanıtlar ve daha iyi anlama imkânı sunuyor. Yazının sonuna kadar okuyup bunun kanıtlanabilir olmadığını öğrenmek sizi üzmüş olabilir. Ama bunlar elbette bugün için geçerli. Yarın yeni keşifler, yeni evrenleri kanıtlayabilir. Kim bilir, belki uslu çocuklar olursak hepimiz birer evren sahibi olabiliriz.

Bu yazı size kuantum fiziği (mekaniği) konusunda sadece biraz bilgi kırıntısı vermiş olmalı. Bu konularda daha çok bilgi edinmek istiyorsanız bu yazıyı hazırlarken yararlandığım birkaç kitap tavsiyesi ile yazıyı bitirmek isterim.

• Dakikalar İçinde Kuantum Fiziği - Gemma Lavender - Kronik Yayınları

• Altı Olasılıksız Şey - John Gribbin - Alfa Yayınları

• Herkes İçin Kuantum Bilgisayım - Chris Bernhardt - TÜBİTAK Yayınları