Birkaç hafta önce Sebastian Hassinger ile kuantum hesaplamanın durumu hakkında harika bir konuşma yaptım. Heyecan verici ama aynı zamanda pek çok insanın beklediği gibi değil.
Ticaret basınında, insanlara şimdi kuantum hesaplamaya yatırım yapmalarını, yoksa umutsuzca geride kalacaklarını söyleyen makaleler gördüm. Bu aptalca. Dünyada kuantum bilgisayarının sadece hızlı bir ana bilgisayar olduğunu düşünen çok fazla insan var. değil; kuantum programlama tamamen farklıdır ve şu anda kuantum bilgisayarlarda çalışacağını bildiğimiz algoritmaların sayısı çok azdır. Onları parmaklarınızın ve ayak parmaklarınızın üzerinde sayabilirsiniz. Mevcut kriptografik kodların şifresini çözebilecek kuantum bilgisayarlara hazırlanmak muhtemelen önemli olsa da, bu bilgisayarlar 10-20 yıl ortalıkta olmayacak. Hata düzeltme için kaç tane fiziksel kübitin gerekli olacağı ve hatta “mantıksal” (hata-düzeltilmiş) bir kübitin anlamı hakkında hala tartışmalar olsa da, en yaygın tahminler, 1.000 hata düzeltilmiş mertebesinde gerektireceği yönündedir. Mevcut şifreleme sistemlerini kırmak için kübitler ve bir hata düzeltilmiş kübit yapmak için 1.000 fiziksel kübit gerekeceği. Yani 1 milyon kübitlik bir düzene ihtiyacımız olacak ve mevcut kuantum bilgisayarların tamamı 100 kübitlik bir alanda. Mevcut kuantum bilgisayarlarımızı 5 büyüklük derecesine göre nasıl ölçeklendireceğimizi bulmak, araştırmacıların karşılaştığı en büyük sorun olabilir ve görünürde bir çözüm yok.
Daha hızlı öğrenin. Daha derin kaz. Daha uzağa bakın.
Peki kuantum bilgisayarlar şimdi ilginç olan ne yapabilir? Birincisi, kuantum davranışını simüle etmek için mükemmel araçlardır: yarı iletkenlerden köprülere ve proteinlere kadar her şeyi oluşturan atom altı parçacıkların ve atomların davranışı. Hepsi olmasa da çoğu, bu alanlardaki modelleme sayısal yöntemlere dayanmaktadır ve modern dijital bilgisayarlar bu konuda harikadır. Ancak sayısal olmayan yöntemler hakkında tekrar düşünmenin zamanı geldi: bir kuantum bilgisayar, iki atom etkileşime girdiğinde ne olduğunu doğrudan simüle edebilir mi? Ne tür moleküllerin oluşacağını ve şekillerinin ne olacağını anlayabilir mi? Bu, kuantum hesaplamada bir sonraki adımdır ve hala araştırma olsa da, ileriye doğru önemli bir yoldur. Kuantum bir dünyada yaşıyoruz. Kuantum davranışını doğrudan gözlemleyemeyiz, ancak dizüstü bilgisayarınızın çalışmasını ve köprülerinizin ayakta kalmasını sağlayan şey budur. Bu davranışı sayısal analiz yerine doğrudan kuantum bilgisayarlarla modelleyebilirsek, yeni tür malzemeler, hastalıklar için yeni tedaviler ve daha fazlasını bulma yolunda büyük bir adım atmış olacağız. Bir bakıma analog ve dijital bilgisayarlar arasındaki fark gibi. Herhangi bir mühendis, dijital bilgisayarların karmaşık diferansiyel denklemlere yaklaşık sayısal çözümler bulmak için çok zaman harcadığını bilir. Ancak dijital bilgisayarlar yeterince büyük ve hızlı hale gelene kadar, bu sistemlerin davranışı doğrudan analog bilgisayarlarda modellenebilirdi. Analog bilgisayarların belki de bilinen en eski örnekleri, her ikisi de astronomik konumları tahmin etmek için kullanılan Stonehenge ve Antikythera mekanizmasıdır. Dijital bilgisayarların varlığından binlerce yıl önce, bu analog bilgisayarlar, kozmosun davranışını modelleyerek, yaratıcılarının anlayamadığı denklemleri çözüyordu ve şimdi de dijital bilgisayarlarda sayısal olarak çözüyoruz.
Son zamanlarda araştırmacılar, her türlü kuantum cihazıyla çalışabilmesi gereken standart bir kontrol düzlemi geliştirdiler. Yazılım da dahil olmak üzere kontrol düzleminin tasarımı tamamen açık kaynaklıdır. Bu, deney maliyetini büyük ölçüde azaltacak ve araştırmacıların kübitleri yönetmek için gereken devreyi tasarlamak yerine kuantum cihazlarına odaklanmasına izin verecektir. Bir arabanın gösterge panosundan farklı değil: otomotiv tarihinin nispeten erken dönemlerinde, verileri görüntülemek ve makineleri kontrol etmek için oldukça standart bir araç seti geliştirdik. Olmasaydık, otomobillerin gelişimi onlarca yıl geriye gidecekti: Her otomobil üreticisinin kendi kontrollerini tasarlaması gerekecekti ve arabanızı sürmeden önce sizin özel otomobiliniz hakkında oldukça kapsamlı bir eğitime ihtiyacınız olacaktı. Kuantum cihazları için programlama dillerinin de standartlaştırılması gerekir; Neyse ki, bu yönde zaten çok çalışma var. Kuantum işlemlerini gerçekleştirmek için Python’dan çağrılabilen kitaplıklar sağlayan açık kaynak geliştirme kitleri (Qiskit, Braket ve Cirq bazı örneklerdir) ve OpenQASM, programcıların (sanal) makine düzeyinde yazmasına izin veren açık kaynaklı bir “kuantum birleştirme dilidir” fiziksel bir makinedeki talimatlarla eşleştirilebilen kod.
Kuantum davranışını simüle etmek için başka bir yaklaşım, kuantum davranışını araştırmaya yardımcı olmaz, ancak araştırmacıların sayısal hesaplama için algoritmalar geliştirmesine yardımcı olabilir. P-bitleri veya olasılıksal bitler, olasılığa göre davranır ancak kuantum fiziğine bağlı değildir: oda sıcaklığında çalışan geleneksel elektroniklerdir. P-bitleri, kübitlerin bazı davranışlarına sahiptir, ancak bunları inşa etmek çok daha kolaydır; geliştiriciler onlara “fakir adamın kübitleri” diyor. P-bitler, bir kuantum geleceği geliştirmeyi kolaylaştıracak mı? Muhtemelen.
Kuantum hesaplama konusunda aşırı heyecanlanmamak önemlidir. Bir “hayal kırıklığı çukurundan” kaçınmanın en iyi yolu, her şeyden önce beklentileriniz konusunda gerçekçi olmaktır. Bilgisayarların şu anda yaptıklarının çoğu değişmeden kalacaktır. Kriptografi, arama ve algoritma geliştirdiğimiz diğer birkaç alanda bazı atılımlar olacak. Şu anda, “kuantum hesaplamaya hazırlanmak”, kriptografik altyapınızı değerlendirmek anlamına geliyor. Altyapı değişikliklerinin zor, pahalı ve yavaş olduğu göz önüne alındığında, kuantum güvenli kriptografiye şimdiden hazırlanmak mantıklıdır. (Kuantum güvenli kriptografi, kuantum bilgisayarlar tarafından kırılamayan kriptografidir – kuantum bilgisayarları gerektirmez.) Kuantum bilgisayarları gelecekte hala 20 yıl olabilir, ancak altyapı yükseltmeleri kolayca bu kadar uzun sürebilir.
Önemli ölçekte pratik (sayısal) kuantum hesaplama, 10 ila 20 yıl uzakta olabilir, ancak birkaç atılım bu süreyi büyük ölçüde kısaltabilir. Bu arada, kuantum algoritmalarını keşfetmek için daha yapılması gereken çok iş var. Ve kuantum davranışlarını araştırmak için araçlar olarak kuantum bilgisayarları kullanarak birçok önemli çalışma zaten yapılabilir. Bu heyecan verici bir zaman; sadece doğru şeyler tarafından heyecanlanmak ve yutturmaca tarafından yanlış yönlendirilmemek önemlidir.