Kuantum bilgisayarlar, 21. yüzyılın belirleyici teknolojik gelişmelerinden biri haline gelebilir. Bu yılki Nobel Fizik Ödülü, bu bilgisayarların inşasına giden en umut verici yolu araştıran üç bilim insanına verildi.

Her şey, Paul Dirac’a 1933 yılında sorulan basit bir soruyla başlamıştı. Yeni bir alan olan kuantum fiziği üzerine yaptığı keşiflerle, İngiliz fizikçi Nobel Ödülü’ne layık görülmüştü. Stockholm’deki ödül törenine utangaç bilim insanı annesiyle birlikte katılmıştı.

Ancak biri ona şu soruyu yöneltti: “Keşfinizin pratik bir yararı var mı?”
Dirac sakince yanıtladı: “Böyle bir pratik yarar olduğunu sanmıyorum.”
Sorunun sahibi vazgeçmedi, ısrarla sordu:
“Peki gelecekte bir uygulama alanı olabileceğini düşünüyor musunuz?”
Dirac yine aynı sakinlikle yanıtladı:
“Sanmıyorum, gelecekte de olmaz.”

Nobel Fizik Komitesi Başkanı Olle Eriksson, salı günü bu yılın kazananlarını açıklarken bu anekdotu anlattı. Eriksson, “Bu dahiyane adam Dirac istisnai olarak bir kez yanılmıştı,” dedi. Ve ekledi: “Bugün kullandığımız hiçbir teknoloji yoktur ki kökeni kuantum fiziğine dayanmasın.”

Tuhaf kurallarla işleyen kuantum dünyası

Eriksson’un bu ifadesinin ikinci kısmı biraz abartılı olsa da, kuantum fiziğine dayanan teknolojiler arasında akıllı telefonlar, barkod tarayıcılar ve LED’ler gibi günlük yaşamın ayrılmaz parçaları bulunuyor.

Bu yılın üç Nobel Fizik Ödülü sahibi, John Clarke, Michel Devoret ve John Martinis Dirac’ın hikâyesini adeta devam ettiriyor. Üçü de, 21. yüzyılın teknolojik dünyası için belirleyici olabilecek bir yeniliğe, yani kuantum bilgisayarlara giden yolu açan keşifleriyle ödüle layık görüldü.

Kuantum bilgisayarlar, kuantum fiziğinin tuhaf yasalarına dayanan makinelerdir. Bu bilgisayarlar, klasik bilgisayarların çok uzun sürede çözebileceği bazı karmaşık problemleri katbekat daha hızlı çözme potansiyeline sahip.

İngiliz John Clarke, Fransız Michel Devoret ve Amerikalı John Martinis, kuantum fiziğinin birden fazla garip yasasını ilk kez makroskopik ölçekte kanıtlayan bilim insanları oldular. Yani yalnızca bir veya birkaç atomdan değil, çok sayıda parçacıktan oluşan bir sistemde bu yasaları gözlemlemeyi başardılar. Üstelik, çalışmalarına başlarken akıllarında ne kuantum bilgisayarı ne de Nobel Ödülü vardı: Onların amacı, dünyanın temelde nasıl işlediğini anlamaktı.

Son derece hassas bir deney

Fizikçiler, 1980’li yılların ortasında ABD’deki California Üniversitesi, Berkeley’de süperiletkenler üzerine araştırmalar yapıyorlardı. Süperiletkenler, elektriği elektronlar aracılığıyla enerji kaybı olmadan ileten maddelerdir.

Normal iletkenlerde elektronlar her zaman bir dirençle karşılaşırken, süperiletkenlerde elektronlar dirençsiz bir şekilde hareket eder.

Bunu başarabilmek için elektronlar sanki birçok insan el ele tutuşup bir sokaktan birlikte yürüyormuş gibi bir bütün gibi davranır. Bu durum, makroskopik bir kuantum hali oluşturur. Ancak bu hal son derece hassas ve kararsızdır; en küçük bir dış etki, örneğin sıcaklıktaki ufak bir dalgalanma bile, tüm sistemi bozabilir.

Fizikçiler yaptıkları deneylerde, süperiletkenin içine küçük bir boşluk (yarık) eklediler. Ardından bu sisteme elektrik akımı verdiklerinde, kısa bir süre sonra gerilim (voltaj) oluştuğunu gözlemlediler. Elektronlar sanki bu boşluk hiç yokmuş gibi davranıyor, boşluğu “delip geçiyorlardı.” Fizikçilerin ifadesiyle bu, “tünelleme etkisi” (Tunneleffekt) olarak bilinen olguydu.

Bu fenomen daha önce yalnızca atom ölçeğinde gözlemlenmişti; ancak ilk kez çıplak gözle görülebilecek kadar büyük elektrik devrelerinde kaydediliyordu. Bu durum, kuantum dünyasının garip yasalarının makroskopik sistemlerde de geçerli olabileceğini kanıtladı.

İşte bu bulgu, kuantum bilgisayarların yolunu açan kırılma noktasıydı. Çünkü kuantum bilgisayarlar, tıpkı bu deneyde olduğu gibi, elektronların klasik fizik kurallarını “aşarak” aynı anda birden fazla durumda bulunabilmesi ilkesine dayanır.

Tünelleme, elektronların engelleri “delip geçebilmesi” prensibini ortaya koyarken; bu fikir, süperiletken devrelerde bilgi taşıyan kuantum bitlerin (kübitlerin) nasıl davranabileceğini anlamayı sağladı.

1980’li yıllarda elde edilen bu bulgular, kuantum bilgisayarların geliştirilmesinin temelini attı. Takip eden deneylerde, Clarke’ın laboratuvarında geliştirilen süperiletken devrelerin, kuantum bilgisayarların yapıtaşları olan kübitler (qubits) için uygun olduğu anlaşıldı. Kübit, çok sayıda olasılığı aynı anda hesaplayabilen bir bilgi birimidir.

Klasik bilgisayarlarda bilgi ‘bit’ adı verilen birimler hâlinde depolanır ve her bit yalnızca iki durumda bulunabilir: 0 veya 1. Kübit ise kuantum fiziğinin yasaları sayesinde aynı anda hem 0 hem 1 durumunda var olabilir ve bu da kuantum bilgisayarların olağanüstü işlem gücünün temelini oluşturur. Bu özellik, kuantum bilgisayarların hesaplama gücünü olağanüstü ölçüde artırabilir.

Bugün Google’ın Quantum AI Laboratuvarı’nda çalışan Michel Devoret, geçen yıl yaptığı bir açıklamada, çalışmalardaki anlamı şu sözlerle özetlemişti: “Biz, kuantum fiziğinin dünyasıyla elektrik mühendisliğinin dünyasını birleştirdik.”

On bin yıl yerine üç buçuk dakika

John Martinis, araştırmalarını bir süreliğine Google bünyesinde sürdürdü. 2019 yılında, Martinis ve ekibi 53 kübitlik bir kuantum bilgisayarı son derece karmaşık bir matematiksel problem üzerinde çalıştırdı. Hesaplamalara göre, dünyanın en hızlı süper bilgisayarlarının aynı problemi çözmesi yaklaşık on bin yıl sürecekti. Ancak kuantum bilgisayarı bunu yalnızca üç buçuk dakikadan biraz daha kısa sürede tamamladı.

Her ne kadar söz konusu problem doğrudan pratik bir kullanım alanına sahip olmasa da, bu deney çok önemli bir kanıt sundu: Kuantum bilgisayarlar, belirli görevlerde klasik bilgisayarlardan çok daha üstün olabilirler. Bu, bilim dünyası tarafından bir dönüm noktası olarak değerlendirildi.

Fotoğraf: Sascha Kreklau

Kuantum bilgisayarlar ilaç araştırmalarında ve malzeme biliminde devrim yaratabilir

Kuantum bilgisayarların gelecekteki en büyük potansiyellerinden bazılarının ilaç geliştirme ve doğadaki ve insan yapımı tüm malzemelerin yapısını, özelliklerini, işlenmesini ve kullanımını inceleyen malzeme bilimi alanlarında ortaya çıkması bekleniyor. Bilim insanları, bu bilgisayarlar sayesinde yeni ilaç moleküllerinin keşfini hızlandırmayı ve elektrikli araçlar için daha güçlü piller geliştirmeyi umuyor.

Ancak şimdilik, bu hedeflere ulaşmak için gereken ölçüde, yeterli sayıda kübiti aynı çip üzerinde kararlı biçimde kontrol altında tutmak hâlâ mümkün değil.

Kübitle yarışan teknolojiler

Süperiletkenlerden üretilen kübitler, kuantum bilgisayarların geliştirilmesinde en umut verici yöntemlerden biri olarak görülüyor. Yine de bu teknoloji, iyon tuzakları veya fotonsal sistemler gibi diğer kuantum mimarileriyle rekabet halinde. Şimdilik hangi teknolojinin uzun vadede üstün geleceği belirsizliğini koruyor.

Süperiletken kübitlerin geliştiricilerine göre, teknoloji on yılın sonuna kadar o kadar olgunlaşabilir ki bir kuantum bilgisayarı pratikte işe yarar sorunları çözebilecek duruma gelir.

Google’ın Kuantum Laboratuvarı Başkanı Hartmut Neven, Alman yayın organı Spiegel’e yaptığı açıklamada, şirketin 2020’de altı aşamalı bir yol haritası belirlediğini hatırlatarak şunları söyledi: “Üçüncü aşamaya yaklaşmış durumdayız, yani yolun yarısındayız. On yıl da neredeyse yarılandı. İyi bir ilerleme kaydediyoruz.”

Akademi, “dönüm noktası” kelimesini özellikle kullanmadı

Bonn Üniversitesi’nden kıdemli profesör Dieter Meschede, bu yılki Nobel kararının dikkat çekici bir yanına işaret etti. Üç bilim insanının araştırması gerçekten bir “dönüm noktası” niteliği taşıyor ve kuantum bilgisayarların gelişimini hızlandırdı.

Ancak İsveç Kraliyet Bilimler Akademisi, ödül açıklamasında “dönüm noktası” ifadesini özellikle kullanmadı.

Meschede’ye göre bu, belki de gelecekte bu alanda bir ya da iki Nobel Ödülü daha verme olasılığını açık tutmak içindi.

Kaynak: Spiegel