Molekülleri modellerken, kuantum devreleri hala klasik devreleri geçememektedir. Kuantum bitlerinin kendileri de kuantum nesneleridir. Kuantum bilgisayarlar moleküller ya da malzemeler gibi kuantum yasaları tarafından yönetilen sistemleri doğrudan taklit etmeyi vaat etmektedir.
Yakın zamanda yapılan testler, bu cihazların belirli faaliyetleri gerçekleştirmede ne kadar etkili olduğunu göstermiştir. Ancak yakın zamanda yapılan bir çalışma, kuantum simülasyonlarının, bir atom kümesinin enerji durumlarını belirlemek gibi pratik kaygılara yol açan konularda geleneksel bilgisayarlardan daha hassas olmadığını ortaya koyuyor. Bulgular, kimyagerlerin ve malzeme bilimcilerin kuantum bilgisayarları ne kadar sürede araç olarak kullanabileceklerini tahmin etmek için bir ölçüt sağlıyor.
1982 yılında Richard Feynman kuantum bilgisayarlarının kuantum maddesinin özelliklerini hesaplamak için kullanılabileceğini öne sürdü. Şu anda kuantum işlemcilerde birkaç yüz kuantum biti (kübit) mevcuttur ve bunlardan bazıları teorik olarak hiçbir geleneksel cihazda kodlanamayan kuantum durumlarını temsil edebilir.
Google’ın 53 kübitlik Sycamore işlemcisi, bugün geleneksel bilgisayarlarda birkaç yüzyıl süren hesaplamaları birkaç gün içinde tamamlama becerisini göstermiştir. Ancak, bu “kuantum avantajı” yalnızca bu cihazların avantajlarından yararlanan belirli hesaplama işleri için elde edilebilir.
Bu kuantum bilgisayarlar, kimyasalları ve malzemeleri araştıran bilim insanlarının günlük olarak karşılaştıkları türden sorunları çözmede ne kadar etkili?
California Teknoloji Enstitüsü’nden Garnet Chan ve ekibi, bu soruya yanıt bulmak için Sycamore tabanlı Weber adlı 53 kübitlik bir Google işlemcisinde bir molekülün ve bir malzemenin simülasyonlarını kullandı. Chan, bu sistemlerin ne kadar karmaşık olduğu ve geleneksel algoritmaların ne kadar iyi çalıştığı göz önüne alındığında, “Kimyasal olarak yeni bir şey öğrenmeyi beklemiyorduk” diyor.
Amaç, Sycamore donanımının fiziksel olarak ilgili bir devre sınıfı ve fiziksel olarak ilgili bir başarı ölçütü için ne kadar iyi çalıştığını anlamaktı.
Bir kuantum devresine ne kadar uygun olacaklarını düşünmeden, ekip iki güncel sıcak konu seçti.
İlkinde, nitrojenaz enziminin katalitik merkezini oluşturan sekiz atomlu demir (Fe) ve sülfür (S) kümesi, enerji durumları açısından hesaplandı.
Azot fiksasyonu olarak bilinen önemli bir biyolojik sürecin ilk aşaması olan bu enzim, azot moleküllerindeki güçlü bağları yok eder. Kimya endüstrisi için bu sürecin kimyasını anlamak, sentetik azot sabitleyici katalizörlerin yaratılmasında faydalı olabilir.
Bilim insanları ayrıca, düşük sıcaklıklarda spin sıvısı olarak bilinen alışılmadık bir kuantum fazına geçtiği düşünülen kristal bir madde olan alfa-rutenyum triklorürdeki (α-RuCl3) manyetik spinlerin kolektif davranışını belirlemeye çalıştılar. Malzemelerdeki kuantum olaylarını araştıran daha büyük proje, bu tür durumların incelenmesini içerir.
Atomların elektron spinleri arasındaki etkileşim, iki sistemin temel elektronik durumlarını ve düşük enerjili uyarımlarını belirler. İki sistemin mimarisini yansıtan devrelerdeki kübitlerin birbirine bağlanmasıyla bu spinler tek bir kübite kaydedilebilir ve etkileşimleri yeniden yaratılabilir.
Gürültü güvenilir kuantum simülasyonlarının önündeki temel zorluklardan biridir. Örnek olarak kuantum mantık işlemlerini gerçekleştiren “kapıların” anahtarlanmasında ve çıkış durumlarının okunmasında rastgele hatalar diyebiliriz.
Gürültü kontrolü ele geçirmeden önce bir bilgisayarın gerçekleştirebileceği kapı işlemlerinin sayısı bu hataların birikimiyle sınırlıdır.
Bilim insanları 300’den fazla kapıya sahip simülasyonlarda gürültünün baskın olduğunu keşfetti. Bununla birlikte, sistem daha karmaşık hale geldikçe ek kapılar gereklidir. Örneğin Fe-S kümesinde spinler arasında uzun menzilli etkileşimler mevcuttur; bu tür etkileşimleri yeterince tasvir etmek için birkaç kapıya ihtiyaç vardır.
Weber çipini kullanan simülasyonlar bu zorlukların bir sonucu olarak nispeten kısıtlıydı. Örneğin, simülasyonlar -RuCl3’ün ısı kapasitesini ve Fe-S kümesinin enerji spektrumunu oldukça doğru bir şekilde tahmin etti – ancak yalnızca simüle edilen sistemler aşırı büyük değilse.
Bilim insanları α-RuCl3 için, kristal kafesin yalnızca 6 atomluk küçük bir kısmı için yararlı veriler elde edebildiklerini buldular; boyutu yalnızca 10 atoma genişlettiklerinde, çıktı gürültü ile boğuldu. Ayrıca, kapı işlemleri üzerindeki kısıtlamalar nedeniyle Weber’in kuantum kaynaklarının yalnızca beşte biri hesaplama için kullanılabiliyordu.
Chan ve arkadaşları, Weber’in özel devre düzenine daha uygun bir model sistemi simüle etmeye geçtiklerinde, bu kullanımı kaynakların yarısını kullanacak şekilde artırabildiler.
Chan, gürültüyü azaltmanın veya hataları düzeltmenin daha iyi yolları bulunana kadar, kuantum devrelerinin bu gibi konularda çok daha iyi performans göstereceğini öngörmenin zor olduğunu iddia ediyor. (Mevcut teknikler kapsamlı kuantum hata düzeltmesine izin vermiyor).
Kuantum hesaplamayı kimya ve malzemelere uygulama konusunda uzman olan Toronto Üniversitesi’nden Alán Aspuru-Guzik, bu sonuçların son teknolojiyi temsil ettiğine ve gelecekteki cihazların amaçlandığı gibi çalışması için aşılması gereken zorlukları vurguladığına inanıyor. Ancak bu son çalışmanın da gösterdiği gibi, 2000’li yıllardaki ilk kuantum bilgisayarlardan bu yana yetenekler giderek gelişti.
Sonuçlar, Massachusetts’teki Tufts Üniversitesi’nde kuantum simülasyon uzmanı olan Peter Love’ı heyecanlandırıyor. Love, bu keşiflerin “hem heyecan verici hem de korkutucu” olduğunu söylüyor. Bunlar 2005’te öngördüklerimizle karşılaştırıldığında gerçekten olağanüstü, ama aynı zamanda daha ne kadar çok iş olduğunu da vurguluyorlar.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v15/175
