IBM'in yeni nesil kuantum işlemcisi Nighthawk r2, dünyanın en güçlü süper bilgisayarlarında belirli bir simülasyon yöntemiyle yaklaşık 110 yıl sürebileceği hesaplanan bir deneyi 19 saniyede tamamladı.
Henüz hakem değerlendirmesinden geçmeyen çalışma, kuantum bilgisayarların belirli görevlerde geleneksel bilgisayarların pratik sınırlarını aşabildiği “kuantum avantajı” yarışında yeni bir dönüm noktası olabilir.
Üstelik önceki bazı deneylerden farklı olarak test, yalnızca özel bir laboratuvarda bulunan deneysel bir makineyle değil, dışarıdaki araştırmacıların IBM'in bulut hizmeti üzerinden erişebildiği bir kuantum işlemciyle gerçekleştirildi.
Ancak araştırmacılar önemli bir noktaya dikkat çekiyor: Deney gerçek dünyadaki bir problemi çözmedi ve “110 yıl” tahmini kullanılan klasik simülasyon yöntemine bağlı. Daha gelişmiş algoritmalar bu süreyi kısaltabilir.
San Francisco merkezli kuantum bilişim şirketi BlueQubit'ten Tigran Sedrakyan liderliğindeki araştırmacılar, deneyde “rastgele devre örnekleme” olarak bilinen bir yöntem kullandı.
Bu yöntemin amacı pratik fayda sağlayan bir hesaplama gerçekleştirmekten ziyade kuantum bilgisayarın kapasitesini sınamak.
Deneyi bir örnekle açıklamak gerekirse; aynı anda havaya 61 madeni para attığınızı düşünmek mümkün. Ancak bu paralar kuantum fiziğinin kurallarına göre birbirlerini etkiliyor ve her atıştan önce üzerlerinde onlarca rastgele işlem gerçekleştiriliyor. Daha sonra bu deney bir milyon kez tekrarlanıyor ve yazı-tura sonuçları sıfır ve birlerden oluşan diziler halinde kaydediliyor.
Araştırmacılar Nighthawk r2 üzerinde 61 kuantum biti, yani kübit kullandı. Kübitler 36 tur boyunca çeşitli işlemlerden geçirildi ve toplam 918 iki-kübit etkileşimi gerçekleştirildi.
İşlemci daha sonra bir milyon sonuç üretti. ZME Science'a göre, tüm süreç yalnızca 19 saniye sürdü.
Deneyin zorluğu bir milyon sıfır ve bir üretmekten kaynaklanmıyor. Sıradan bir bilgisayar da bunu son derece hızlı şekilde yapabilir.
Asıl zorluk, kübitlerin birbirleriyle etkileşime girmesi sonucunda ortaya çıkan özel olasılık dağılımını yeniden oluşturmak.
Kuantum devresindeki kübitler birbirleriyle etkileştikçe ve kuantum dolanıklığı oluşturdukça bazı sonuçların ortaya çıkma olasılığı diğerlerinden farklı hale geliyor.
Devredeki işlem sayısı arttıkça geleneksel bir bilgisayarın tüm bu olasılıkları takip etmesi de giderek daha maliyetli hale geliyor.
Araştırmacıların hesaplamasına göre deneyde elde edilen bir milyon örneği benzer bir doğruluk düzeyiyle belirli bir klasik simülasyon yöntemi kullanarak üretmek, dünyanın en güçlü süper bilgisayarlarından Frontier'da yaklaşık 110 yıl sürebilir.
Nighthawk r2 ise bunu saniyeler içinde gerçekleştirdi.
Deneyde 36 işlem turunun ardından kuantum sinyalinin doğruluk oranı (fidelity) yaklaşık yüzde 0,23 olarak hesaplandı.
İlk bakışta bu oran son derece düşük görünebilir. Ancak buradaki yüzde 0,23, geleneksel anlamda bir “yüzde 0,23 doğruluk oranı” değil.
Kuantum bilgisayarlarda kübitlerin hassas kuantum durumları çevresel etkiler ve donanımdaki kusurlar nedeniyle zamanla bozuluyor. Devre uzadıkça ideal kuantum sinyalinin giderek daha büyük bölümü gürültü içinde kayboluyor.
Bu deneyde önemli olan, ideal kuantum dağılımından ölçülebilir bir izin hâlâ bulunması ve klasik bir bilgisayarın aynı seviyedeki sonucu üretmesinin ne kadar zor olduğu.
Araştırmacıların çalışmasındaki en çarpıcı sayı olan 110 yıllık tahmin ise önemli bir uyarıyla birlikte geliyor.
Kuantum bilgisayarların geleneksel bilgisayarlara karşı avantajına ilişkin benzer iddialar geçmişte klasik algoritmalardaki ilerlemeler nedeniyle ciddi şekilde küçülmüştü.
Google 2019'da Sycamore adlı 53 kübitlik kuantum işlemcisinin yaklaşık 200 saniyede tamamladığı bir işlemin dönemin süper bilgisayarlarında yaklaşık 10 bin yıl süreceğini açıklamıştı.
Bu sonuç “kuantum üstünlüğünün” önemli bir göstergesi olarak sunulmuştu.
Ancak klasik bilgisayar algoritmaları da hızla gelişti. 2021'de Çin'in Sunway süper bilgisayarını kullanan araştırmacılar, Sycamore deneyindeki örnekleme işleminin geleneksel bilgisayar altyapısıyla yaklaşık 304 saniyede simüle edilebileceğini bildirdi.
Bu nedenle daha yeni kuantum avantajı çalışmalarında yalnızca kuantum işlemcinin hızına değil, klasik bilgisayarların aynı sonuçları taklit etmek için kullanabileceği farklı yöntemlere de daha fazla dikkat ediliyor.
Yeni araştırmadaki 110 yıllık tahmin de belirli bir "tensor-network" simülasyon yöntemine ve sınırsız bellek varsayımına dayanıyor.
Daha iyi algoritmalar, daha önce yapılan hesaplamaların yeniden kullanılması veya yaklaşık hesaplama teknikleri bu süreyi ciddi ölçüde azaltabilir.
Araştırmacılar da geçmiş deneyimlerin böyle gelişmelerin mümkün olduğunu gösterdiğini kabul ediyor.
Dolayısıyla Nighthawk r2 klasik süper bilgisayarları işlevsiz hale getirmiş değil.
Ancak çalışma önemli bir sınırın daha ileri taşındığını gösteriyor: Klasik bilgisayarlarla yeniden üretilmesi son derece maliyetli görünen bir kuantum deneyi artık bulut üzerinden erişilebilen bir işlemcide saniyeler içinde gerçekleştirilebiliyor.