Kuantum çağına hoş geldiniz
Teorik fizikçi John Preskill, 2012 tarihli bir makalesinde şu soruyu sormuştu: "Büyük ölçekli kuantum sistemlerinin evrimi çok mu zor yoksa gülünç derecede mi zor?" Yedi yıl sonra cevaba sahibiz: Bu çok ama çok zor.
Son zamanlarda, konuyla ilgili bir araştırma makalesi çok kısa bir süre için ve tesadüfen çevrimiçi olarak yayınlandı. Üst düzey bir bilimsel dergi olan "Nature", geçici olarak yayınlandığı sırada hala gizli olan makaleyi yayınlamayı kabul etmişti.
Rapor, Google'ın Preskill'in "kuantum üstünlüğü" dediği şeyi başardığını ortaya çıkardı. İnternet devinin araştırmacıları, bir kuantum bilgisayar kullanarak, dünyanın şu anki en güçlü IBM süper bilgisayarı olan Summit'in 10.000 yıllık işlemesini gerektirecek bir hesaplamayı üç dakikada gerçekleştirdiler.
Kuantum üstünlüğünün kesin bir ifadesi. Bu gizli belgenin gerçekten teknoloji tarihinde bir kilometre taşını temsil ettiği konusunda fikir birliği var.
İki dönem arasında bir dönüm noktası olabilir: silikon bilgisayarları geride bırakmak için kuantum bilgisayarlara güvenilen "önce" ve bunun gerçekten gerçekleştiği "sonra". Şimdiye kadar ikinci dönem hakkında çok konuşuldu. şimdi geldi
Oldukça ileri bir adım
Google'ın deneyi, "devre örneklemesini" gerçekleştirmekten ibaretti. test, makinenin rasgele girdilerden başlayarak gerçekleştirdiği işlemin belirli bir modele uyarlanıp uyarlanamayacağını doğrular.
Bu oldukça tuhaf görev, bir kuantum bilgisayarın özelliklerine uyması ve aynı zamanda klasik bir bilgisayarda aynı işlemeyi karşılaştırması için seçildi.
Kuantum bilgisayarların zaman içinde pratik önemi olan ve sıradan insanların hayatı için daha normal olan meseleleri halledebileceğine dair yaygın bir inanç olsa bile, pratik açıdan çok az ilgisi olan bir deney.
Bunlar, yeni ilaç ve materyallerin tasarımı veya makine öğrenimi ile ilgili olabilir. Ayrıca, bugün dünyanın sırlarını koruyan kriptografik kodları geçersiz kılabilirler.
Bitlerden kübitlere
Kuantum bilgisayarlar üç kavram kullanır. Biri "kuantum süperpozisyonu", yani Schrödinger'in ünlü ölü ve diri kedisinin ardındaki fikir. Yalnızca iki duruma (bir veya sıfır) sahip olabilen klasik bitlerin aksine, kübitler her ikisinin bir kombinasyonu olabilir.
Örneğin, Google'ın makinesi, aralarında yaklaşık on milyon olası çakışan durumu temsil edebilen 53 kübite sahiptir.
İkincisi, “dolaşma”dır. Kuantum parçacıklarını zaman ve uzay boyunca birbirine bağlar. Standart bilgisayarlarda her bit, bir sonrakinin durumuyla sıkı sıkıya ilişkilidir.
Kuantum hesaplamadaki kübitler oldukça iç içe geçmiş durumda. Örtüşen ve dolaşık kübitler üzerindeki matematiksel işlemler, tek bir hesaplama sürecinde tüm kübitler üzerinde az ya da çok aynı anda hareket edebilir.
Kuantum bilgisayar nasıl çalışır?
Bir kuantum hesaplaması, kübitlere birer birer yaklaşarak başlar. Mümkün olduğu kadar basitleştirmek için, bir kübiti bir veya sıfır yaptığı ve ardından komşusuyla kesiştiği söylenebilir. Bu yapıldıktan sonra, kuantum fiziği kurallarının zaman içinde gelişen kübitlerin durumları ve bağlantılarıyla çalışmasına izin veriyor.
Son olarak (hesabı mahvedeceği için daha önce değil), kübitler bir yanıt için eş zamanlı olarak incelenir.
Asıl iş, bir milyar yanlış cevap arasından doğru cevabı bulmaktır. Bu, üçüncü fikrin, sezgilere aykırı olanın devreye girdiği yerdir.
Klasik fizikte olasılıklar pozitif sayılarla ifade edilmelidir. Diyelim ki %30 yağmur ihtimali var. Kuantum mekaniği, "genlikler" adı verilen ilgili bir kavram kullanır. Bunlar hem olumsuz hem de olumlu olabilir.
Yanlış cevapları temsil eden genliklerin birbirini götürmesini, doğru cevapları temsil edenlerin ise ortaya çıkmasını sağlamalısınız. Bu şekilde, geliştiriciler doğru çözüme kabul edilebilir bir yaklaşımla yaklaşabilirler.
Laboratuvarda daha karmaşıktır.
Ders kitaplarında bulunan açıklama budur. Laboratuvarda işler daha da karmaşıklaşıyor. Kuantum süperpozisyonları ve kuantum dolaşıklıkları son derece hassas olgulardır.
Örneğin, bitişik moleküllerin dalga hareketi onları kesintiye uğratabilir ve bir hesaplamayı zorlaştırabilir.
Kuantum bilgisayarlar üzerinde geliştirilen projelerin çoğu, makinelerin uzaydaki sıcaklıklardan daha düşük sıcaklıklarda tutulmasını ve özel odalarda barındırılmasını gerektiriyor.
Ayrıca, işleme süreçlerini takip etmek için çok sayıda uzman personel gerekir.
Hata algılama sorunu
Ancak ne bilim adamlarının aşırı becerileri ne de ideal laboratuvar koşulları hataların oluşmasını engelleyemez.
Kuantum bilimcilerin karşılaştığı en büyük sorun, bilgi işlemdeki hataları bulmak ve düzeltmektir. Söylediğimiz gibi, kuantum hesaplama ile pratik uygulamalar geliştirmek, geleneksel cihazlardan çok çok daha fazla işlem gerektirir. Bu ölçekte, hata riski büyük ölçüde artar.
Bu durum, IBM, Intel ve Microsoft gibi bilgisayar endüstrisinin büyük şirketlerini ve Chad Rigetti gibi en parlak beyinleri her zamankinden daha iyi ve daha az kusurlu geliştirme kitleri oluşturmaya sevk etti.
verimli algoritmalar
Daha iyi makineler oluşturmak için bu yarışa paralel olarak, verimli kuantum algoritmaları geliştirme yarışı da var. Şimdiye kadarki en iyi bilinen durum, muhtemelen Peter Shor tarafından 1994 yılında Bell Laboratuarlarında geliştirilen faktoring algoritmasıdır.
Shor, tamsayıların bileşen asal sayılarına hızla çarpanlara ayrılmasını sağlayan kuantum turbo şarjlı bir matematiksel algoritma geliştirdi.
Shor'un algoritmasının yaptığı şeyi gerçekleştirmenin zorluğuyla bağlantılı olarak değeri takdir edilen bir grup bilim insanı olan kriptografları korkutan bir şey.
Ancak kuantum bilgisayarlar bunu gerçekten yapacaksa, o zaman yeni algoritmalara ihtiyaç vardır. Bu tür algoritmaların geliştirilmesi, birçok pratik uygulamanın (ilaçların, malzemelerin tasarımı vb.) kuantum süreçlerine bağlı olması gerçeğiyle kolaylaştırılacaktır.
Bu tür uygulamaların bugüne kadar geliştirilmesinin zor olmasının da nedeni aslında budur.
Birkaç cihaz?
Kuantum hesaplama vaadine rağmen, alandaki birçok araştırmacı "kuantum üstünlüğü" ifadesinden rahatsız. Rahatsızım çünkü kuantum üstünlüğünün ortaya çıkışı, bir kez aşıldığında, garip ve şaşırtıcı bir şey adına onlarca yıllık uygulamalı hesaplamayı tavan arasına gönderen bir devrilme noktası anlamına geliyor.
Google belgesinin belirlediği "öncesi" ve "sonrası"na rağmen, pratik uygulamalara sahip verimli kuantum cihazları oluşturmak kolay bir yol olmayacaktır.
çoğu insan, kuantum hesaplamanın klasik hesaplamanın yerini alacağını tahmin etmenin bir kumar olduğunu düşünüyor. Kuantum bilgisayarların çok düşük sıcaklıklarda çalışmasıyla ilgili pratik yönler bir örnektir.
Hükümetler, büyük şirketler ve en zengin üniversiteler şüphesiz kendi arabalarına sahip olacak. Diğerleri, bulutun kuantum sürümlerine bağlı cihazlarda zaman kiralayacak. Her durumda, toplam kuantum bilgisayar sayısı sınırlı olacaktır.
Ve böyle olması iyi. Her halükarda, bu tahmin hakkında bazı şüphelerimiz olabilir, klasik hesaplamanın başlangıcına baktığımızda, ki bu seçilmişler için bir şeydi. 1943'te, o zamanlar IBM'in başkanı olan Thomas Watson şunları söyledi: "Bence beş bilgisayar için bir dünya pazarı olabilir." Bir faktörün yanlış tahmini, belki bir milyar faktör.
26 Eylül 2019 tarihli The Economist'ten
