Google’ın Kuantum Bilgisayarı Kimyada Dönüm Noktası Yarattı
Google’daki araştırmacılar geçtiğimiz sonbaharda, normal bir bilgisayarın ulaşamayacağı ancak bir kuantum bilgisayarının ulaşabileceği nokta olan “kuantum gücüne” ulaştıklarını açıkladıklarında birçok insan asıl olayın ne olduğunun merakına kapılmışlardır. Eleştirmenler, rastgele sayı üreten uygulamaların çıktısını kontrol eden bu gücün sınırlı bir güce sahip olduğunu ve makinenin yararlı bir şey için kullanılamayacağını belirtmişlerdir.
Ancak, Google’ın kuantum bilgisayarı gerçek hayatta gözlemlenebilecek bir şeyi başarmıştır: basit bir kimyasal reaksiyonu başarı ile sergilemiştir. Kuantum kimyasındaki bu başarı, araştırmacıların moleküler reaksiyonlara ilişkin anlayışını genişletebilecek; daha iyi piller üretmek, gübre elde etmek ve havadaki karbondioksit miktarını azaltabilmek için yeni yöntemler bulmak gibi yararlı keşiflere uzanan bir adımdır.
Geçtiğimiz yıl kuantum gücü deneyi, 53 süper iletken kuantum biti veya kübit içeren Sycamore isimli bir çip ile gerçekleştirilmiştir. Neredeyse sıfır santigrat dereceye kadar soğutulan kübitler, kuantum mekaniği özellikleri göstererek araştırmacıların bu kubitleri basit bilgisayar parçalarındaki “açık / kapalı” sistemlerden daha karmaşık ve kullanışlı olarak düzenlemelerine imkân sağlamaktadır. Umut edilmektedir ki, kuantum bilgisayarlar, klasik bir bilgisayarın ömür boyu çözemeyeceği bir problemi hızlı bir biçimde çözebilecek kadar güçlü olsun.
Science dergisinde yayımlanan bu kuantum kimyası araştırması, yalnızca 12 kübit ile gerçekleştirilmesine rağmen temelde Sycamore tasarımına dayanmaktadır. Google’ın projesinde algoritma geliştirme sorumlularından olan araştırmacı Ryan Babbush bu durumun, sistemin çok yönlülüğünün gösterdiğini belirtmiştir. “Esasında bu cihaz, aklınıza gelebilecek herhangi bir görev için kullanılabilecek, tamamen programlanabilir bir dijital kuantum bilgisayardır,” demiştir.
Araştırma ekibi ilk olarak 12 hidrojen atomundan oluşan bir molekülün uyarılmış hâlinin basitleştirilmiş bir versiyonunu canlandırmışlardır ve 12 kübitin her biri bir atomun bir elektronunu temsil etmiştir. Daha sonra, hidrojen ve nitrojen atomları içeren, hidrojen atomları bir taraftan diğer tarafa geçtiğinde bu molekülün elektronik yapısının nasıl değişeceği de dahil olmak üzere bir molekülü ve buna bağlı olarak bir kimyasal reaksiyonu modellemişlerdir. Elektronların enerjisi, belirli bir sıcaklıkta veya farklı moleküllerin varlığında bir reaksiyonun ne kadar hızlı gerçekleşeceğini belirlediğinden ötürü bu tür canlandırmalar, kimyagerlerin bir reaksiyonun tam olarak nasıl çalıştığını ve sıcaklığı veya kimyasal içerikleri değiştirir iseler reaksiyonun nasıl değişeceğini anlamalarına yardımcı olabilecektir.
Hartree-Fock prosedürü olarak bilinen, araştırmacıların gerçekleştirdiği simülasyon klasik bir bilgisayarda da gerçekleştirildi ancak kuantum bilgisayarı ile elde edilen sonuçların üstünlüğüne ne yazık ki ulaşamadı. Bunun yanı sıra, her hesaplamayı değerlendirmek ve ardından yeni kuantum simülasyonunu geliştirmek adına yapay zekâ kullanan klasik bir bilgisayarın yardımıyla da çalıştırılmıştır ve Google kuantum takımındaki araştırmacılardan Nicholas Rubin, bu projede kullanılan tekniğin gelecekteki kuantum kimya simülasyonları için temel bir teknik olabileceğini vurgulamıştır. Projede ortaya çıkan kimyasal hesaplar, rekoru elinde bulunduran önceki kuantum bilgisayarının hesaplarına göre iki kat daha büyüktür.
IBM 2017’de altı kübit kullanarak bir kuantum kimya simülasyonu gerçekleştirmiştir. Rubin, sonuç, 1920’lerdeki araştırmacıların el ile hesaplayabilecekleri karmaşıklık düzeyine sahip bir moleküler sistem olmuştur, dedi. Bu rakamı ikiye katlayarak 12 kübite çıkaran Google’ın projesi, 1940’lardan kalma bir bilgisayar ile hesaplanabilecek bir sistemi de ele almıştır. Babbush “Bu sayıyı tekrar ikiye katlar isek, muhtemelen 1980’ler gibi bir yere gideceğiz ve sonrasında yine ikiye katlar isek, bugün klasik bilgisayarlar ile yapabileceğimizin ötesinde olacağız,” demiştir.
Stanford Üniversitesi Teorik Fizik Enstitüsü’nde doktora sonrası araştırma görevlisi olan Xiao Yuan, Science dergisinde yayımlanan Google’ın bu projesi için, şu ana dek hiçbir kuantum bilgisayarın, normal bir bilgisayarın yapabileceğinden fazlasını yapamadığı yorumunda bulunmuştur. Google’ın 2019’da sadece üç dakikada sonuç veren kuantum gücüne ulaşması bile, bir süper bilgisayar ile iki buçuk günde aynı sonuçları elde eden IBM araştırmacıları tarafından sorgulanmıştır. Ancak Yuan, kuantum kimyası deneyinin büyük bir hedefe doğru atılan önemli bir adım olduğunu da belirtmiştir. “Gerçekten zor ve anlamlı bir soruyu çözebilmek adına bir kuantum bilgisayarı kullanabilir isek, bu gerçekten en heyecan verici haber olur,” diye eklemiştir.
Yuan’a göre, araştırmacıların bu hedefe ulaşamamasının teorik bir nedeni yoktur ancak birkaç kübitten birkaç yüze ve nihayetinde çok daha fazlasına geçmenin teknik zorluğu fazla karmaşık bir mühendislik gerektirecektir. Milyonlarca kübite sahip genel amaçlı bir kuantum bilgisayarı, çözülmesi on yıllarca sürebilecek zorlu bir sorun ile karşımıza çıkacak ve hata düzeltme protokollerinin geliştirilmesi gerekecektir. Ancak tam hata düzeltme gücüne sahip olmayan orta ölçekli kuantum bilgisayarları, bu esnada yine de yararlı olabilirler.
Toronto Üniversitesi’nde kuantum kimyası öncülerinden Alán Aspuru-Guzik, kimya, kuantum hesaplamaları ile iç içedir çünkü bir kimyasal reaksiyon doğası gereği kuantumdur, demiştir. Böyle bir reaksiyonu tam olarak modellemek için, ilgili tüm elektronların kuantum hâllerini bilmek gereklidir. Peki, bir kuantum sistemini modellemek için başka bir kuantum sistemini kullanmaktan daha iyi bir yol var mıdır? Aspuru-Guzik “Mühendisler genel amaçlı programlanabilir bir kuantum bilgisayarı geliştirmeden uzun zaman önce, bir avuç kübite sahip cihazlar, kimyadaki ilginç problemlerde, klasik bilgisayarlardan daha iyi performans gösterebilmelidirler. Bu büyük bir başarı elbette. Ancak hikâyenin sonu değil,” demiştir.
Örnek olarak, Aspuru-Guzik, rüzgâr türbinleri ve güneş pilleri sayesinde üretilen enerjiyi depolamak adına daha iyi pil malzemeleri geliştirmeye çalışmaktadır. Bu tür malzemeler, kendi içlerinde çelişebilecek özelliklere sahiptirler: hızlı bir şekilde şarj ve deşarj olabilmek için yeterince reaktif olmaları gerekir iken aynı zamanda patlamayacak veya alev almayacak kadar da sağlam olmaları gerekmektedir. Reaksiyonların bilgisayar modelleri, bu zorlu görev için ideal malzemeleri belirlemekte yardımcı olabileceği gibi yeni ilaçların geliştirilmesinde de önemli rol oynayabilirler.
Aspuru-Guzik “Öyle olsa bile, kuantum bilgisayarları kimyasal reaksiyonları modellemenin devrim niteliğindeki tek yeni yolu olmayabilirler,” demiştir. Yapay zekânın, klasik bilgisayarlarda kimyasal simülasyonları çalıştırabilecek kadar verimli algoritmalar geliştirebilmesi mümkün bir durumdur. Bu karşılaştırmayı denemek adına araştırma grubu her iki olasılık üzerine de çalışmaktadır: orta seviye bir kuantum bilgisayarında çalışacak yeni algoritmalar geliştirmekte ve yeni materyalleri keşfetmek için yapay zekâ tabanlı robotlar yaratmaktalar.
Ancak Google’ın çalışması, Aspuru-Guzik’i, kuantum hesaplamanın yakın gelecekte ilginç sorunları çözebileceği konusunda temin etmektedir. Aspuru-Guzik “Bu, bir kuantum bilgisayarının bugün yapabileceği en iyi şeydir ancak hedefe ulaşmak için donanımsal ve yazılımsal açıdan çok iş vardır,” demiştir.
Kaynak: scientificamerican.com
