“Bir duvara toslamıştık. Tüm kuantum teknolojisi araştırmacıları gibi. Biz de bir adım geri attık ve “bizim kuantum çağı için transistör benzeri bir çığır açıcı yaklaşıma ihtiyacımız var” dedik. Ve kendimize şu soruyu sorduk: Böyle bir icat için neye ihtiyacımız var? Yepyeni bir malzemeye. Yepyeni bir çipe. Yepyeni bir yaklaşıma. Ve işte Majorana 1 böylece doğmuş oldu…”
Majorana 1… Microsoft’un yepyeni Kuantum Çipi… Uzun süredir üzerinde çalışılıyordu. Geçtiğimiz hafta ise duyuruldu. Ve en basit tabiriyle ortalık karıştı. Çünkü bu duyurdukları şey, kendi iddialarına göre bizim daha onlarca yıl beklememiz gereken şeyi mümkün kılıyordu. 1 milyon kübitlik bir potansiyel sunuyordu. Binlere alışmıştık ama bir milyon kübit? Bu bildiğiniz kuantum çağının başlangıcı demek. Ciddi anlamda yepyeni bir çağ. Peki gerçekliği ne? Fizikçiler ne diyor? Gerçekten de sayısız problemi çözecek 1 milyon stabil çalışan kübit seviyesine ulaştık mı? Gelin hemen bakalım.
Şu anki durumumuzu bir irdeleyelim önce. Ortadaki sorun neydi, neyi çözemiyorduk ve Microsoft neyi çözdüğünü iddia ediyor.
Kuantum bilgisayarların güçlü olabilmesi için yeterince kübit gerekiyor. Kübit, klasik bilgisayarlardaki bit gibi, ama çok daha güçlü. Normal bir bit sadece 0 veya 1 olabilirken, kübit aynı anda hem 0 hem 1 olabiliyor. Bu süperpozisyon denilen özellik, kuantum bilgisayarların gücünün sırrı. Google’ın 2019’da tanıttığı 53 kübitlik Sycamore işlemcisi, klasik bilgisayarların milyarlarca yıl sürecek bir hesaplamayı 200 saniyede yapabildiğini iddia etmişti. IBM ise 2023’te 1,000 kübitin üzerindeki Condor işlemcisini duyurdu. Ancak bu gelişmelere rağmen, pratik kullanım için hala çok uzaktayız.
Peki neden? İlk büyük sorun kübitlerin dayanıksızlığı. Kübitler adeta kristal vazolar gibi – çok değerli ama çok kırılgan. Bir kübit, etrafındaki dünyayla etkileşime girdiği anda bozuluyor. Odadaki hafif bir titreşim, cep telefonunuzdan gelen elektromanyetik dalga, hatta kozmik bir ışın bile kübitin durumunu bozabilir. Bu yüzden kuantum bilgisayarlar, mutlak sıfıra (-273°C) yakın sıcaklıklarda ve manyetik kalkanlar içinde çalıştırılıyor. Yine de Google’ın Sycamore’undaki kübitler yalnızca 100 mikrosaniye (saniyenin milyonda biri) kadar kararlı kalabiliyor. Bu süre, gerçek dünya problemlerini çözmek için fazlasıyla kısa.
İkinci sorun ise hatalar. En iyi kuantum bilgisayarlar bile her işlemde hatalar yapıyor. Klasik bilgisayarlarda bir hata trilyonda bir ihtimalle olurken, kuantum bilgisayarlarda her 100-1000 işlemde bir hata oluşuyor. Bu noktada ‘mantıksal kübit’ ve ‘fiziksel kübit’ ayrımı devreye giriyor. Fiziksel kübit, gerçekte laboratuvarda ürettiğimiz, hatalara açık kübitlerdir. Mantıksal kübit ise, birçok fiziksel kübitin birleşiminden oluşan ve hata düzeltme yöntemleriyle korunan, güvenilir hesaplama yapabilen birimdir. Tıpkı klasik bilgisayarlarda RAID disk sistemlerinin veri kaybını önlemek için birden fazla disk kullanması gibi, kuantum bilgisayarlarda da güvenilir hesaplama için çok sayıda kübit kullanılması gerekiyor. IBM’in yol haritasında, tek bir hataya dayanıklı mantıksal kübit oluşturmak için yaklaşık 1,000 fiziksel kübit gerekiyor. Bir ilaç molekülünü simüle etmek için 100 mantıksal kübite ihtiyaç duyarsanız, bu 100,000 fiziksel kübit demek. Bu kadar büyük ve karmaşık sistemleri inşa etmek ve kontrol etmek şu an için neredeyse imkansız görünüyor.
Peki insanlığın kaderini değiştirecek problemleri çözmek için kaç kübite ihtiyacımız var? Eksponansiyel hızlanma sağlayan, gerçekten faydalı kuantum bilgisayarlar için en az 1 milyon kübitlik sistemlere ihtiyaç olduğu düşünülüyor. Bunu daha somut bir örnekle açıklarsak: Karbon yakalama için yeni malzemeler geliştirmek, kanser tedavisinde devrim yaratacak ilaçları simüle etmek veya yapay zekada çığır açacak algoritmaları çalıştırmak için yaklaşık 1-10 milyon civarında kararlı fiziksel kübite ihtiyaç var. Microsoft’un duyurusundan önce, bilim insanları bu seviyeye ulaşmak için en iyimser tahminlerde bile 15-20 yıllık bir süreç öngörüyorlardı. Bazı uzmanlar ise, mevcut yaklaşımlarla hiçbir zaman bu seviyeye ulaşamayacağımızı iddia ediyorlardı. Çünkü her yeni kübit eklediğimizde, sistem karmaşıklığı ve hata oranları katlanarak artıyor.
İşte Microsoft’un Majorana 1’i bu noktada müthiş bir iddiada bulunmuş oluyor. Yani bizim kaderimizi değiştirecek 1 milyonluk kübite ulaşmamızı sağlayacak o kübiti… Bilgisayar çağını başlatan transistör gibi kuantum çağını başlatacak o “transistörü” icat ettiklerini duyurdular. Bu çok büyük bir haber o yüzden. Büyük bir iddia. Bir uçağın kalkışı gibi. Yeni bir dönemin başlangıcı olacak, bir paradigma değişimi yaratacak bir olay. Peki ne yaptılar, nasıl yaptılar, iddia ettikleri ne denli gerçekçi? Şimdi ona bakalım.
Microsoft’un Majorana 1 çipi tam olarak ne getiriyor? Öncelikle şunu anlamamız gerekiyor: Microsoft yepyeni bir malzeme geliştirdi. ‘Topokondüktör’ adı verilen bu malzeme, bildiğimiz katı, sıvı veya gaz değil. Tamamen yeni bir madde hali.
Bu çip indiyum arsenit ve alüminyum kullanılarak atom atom inşa edilmiş özel bir yapıya sahip. Microsoft bu malzemeyi kullanarak teorik olarak var olduğu düşünülen ancak doğada bulunmayan ‘Majorana parçacıkları’ denilen yapıları ortaya çıkarmayı başardı. İtalyan fizikçi Ettore Majorana’nın 1930’larda öngördüğü bu parçacıklar, kuantum kübitlerinin en büyük düşmanı olan gürültü ve bozulmaya karşı doğal bir dirence sahip.
Bu malzemenin en önemli özelliği, hem yarı iletken hem de süper iletken özellikleri bir araya getirmesi. Yarı iletkenler elektriği bazen iletip bazen engelleyebilirken, süper iletkenler hiçbir direnç göstermeden elektrik iletebiliyor. Bu birleşim, kuantum bilgisayarlar için çığır açıcı bir gelişme. Microsoft’un geliştirdiği Topolojik Çekirdek’in en büyük avantajı, hata direncinin doğrudan donanım seviyesinde olması. Klasik kuantum bilgisayarlarında hataları yazılımla düzeltmeniz gerekir – ki bu da binlerce ek kübit gerektirir. Ancak Microsoft’un çipinde hataya karşı direnç doğrudan donanımın içinde, kübitin fiziksel yapısında.
Şu ana kadar gördüğümüz kuantum bilgisayarlar neden o meşhur avize görüntüsüne sahip? Çünkü bu sistemler, her bir kübiti aşırı soğuk tutmak ve dış dünyadan izole etmek için devasa donanımlara ihtiyaç duyuyor. Mutlak sıfıra yakın sıcaklıkta çalışan soğutma sistemleri, her kübiti ayrı ayrı kontrol eden yüzlerce kablo, manyetik kalkanlar… Bu karmaşık yapılar, bilgisayarın neredeyse bir oda büyüklüğünde olmasına neden oluyor.
Bu avize benzeri yapılar görsel olarak etkileyici olsa da, pratik değil. Her kübiti ayrı ayrı kontrol etmek için gereken kablolar ve donanımlar, kübit sayısı arttıkça katlanarak büyüyor. Yüz kübitlik bir sistem için bile devasa bir yapı gerekirken, milyon kübitlik bir sistem için bir futbol sahası büyüklüğünde bina gerekecekti!
Microsoft’un yaklaşımı ise çok daha kompakt. Majorana 1 çipinin kendisi avuç içine sığacak kadar küçük. Tüm sistem, Azure veri merkezlerine kolayca yerleştirilebilecek boyutta. Nasıl mümkün oluyor bu? Çünkü topolojik kübitler, analog değil dijital olarak kontrol edilebiliyor – tıpkı bir ışık düğmesini açıp kapatmak gibi basit. Her kübit için ayrı hassas ayar gerektiren karmaşık kablolama yerine, standart dijital sinyallerle kontrol ediliyor.
Çip üzerinde şu anda 8 topolojik kübit var. Ancak tasarım, ‘H’ şeklindeki alüminyum nanotellerin çip üzerinde fayans gibi döşenmesiyle milyonlarca kübite ölçeklenebilecek şekilde. Her ‘H’ şekli dört kontrol edilebilir Majorana parçacığı içeriyor ve bir kübit oluşturuyor.
Microsoft’un iddiasına göre, bu teknoloji sayesinde gerçek kuantum bilgisayarlara ‘onlarca yıl’ değil ‘yıllar’ içinde ulaşabileceğiz. Bu gerçekleşirse, yapay zeka ile güçlendirilmiş kuantum sistemler, bilim insanlarının sadece ‘şöyle bir malzeme yapmak istiyorum’ demesiyle doğanın dilini konuşarak o malzemeyi tasarlayabilecek. Yıllarca sürecek deneme yanılma olmadan, ilk seferde doğru sonucu verebilecek sistemlere sahip olacağız.
Microsoft’un bu çığır açıcı teknolojisi ne zaman hayatımıza girecek? Şirket, gerçek anlamda kullanılabilir bir kuantum bilgisayarın ‘onlarca yıl’ değil ‘birkaç yıl’ içinde mümkün olabileceğini belirtiyor. Yol haritalarında 2030’ların başında bir milyonluk kübit hedefi görülüyor. Bu teknoloji hayata geçerse, mikroplastikleri parçalayabilen katalizörler, kendi kendini onaran malzemeler, çevre kirliliğini çözecek yenilikler ve sağlık alanında devrim yaratacak enzimler geliştirmek mümkün olacak. En önemlisi, şirketler ve bilim insanları yeni malzemeler ve moleküller tasarlarken ilk denemede doğru sonuca ulaşabilecekler.
Ancak uzmanlar temkinli. Sydney Üniversitesi’nden Stephen Bartlett, gelişmenin heyecan verici olduğunu ancak Microsoft’un aradığı topolojik kübitin henüz var olmadığını belirtiyor. Microsoft’un Nature dergisinde yayınlanan çalışması, aslında iki önemli adımı gösteriyor. Birincisi, Majorana parçacıklarını oluşturmayı başardıklarını, ikincisi ise bu parçacıklardan elde edilen kuantum bilgisini nasıl ölçebileceklerini gösterdikleri bir yöntem.
Buradaki kritik nokta şu: Microsoft henüz çalışan bir topolojik kübit göstermedi. Yani, kuantum bilgisayarın temel yapı taşı olan topolojik kübit henüz tam anlamıyla gerçekleştirilmiş değil. Microsoft, Majorana parçacıklarını oluşturabildiğini ve ölçebildiğini gösterdi, ancak bu parçacıkları kullanarak gerçek bir kuantum işlem yapabilecek (hesaplama yapabilecek) bir kübit henüz ortaya koyamadı.
Bu, bir arabanın motorunu tasarlamanın önemli bir parçasını çözmek gibi – ölçüm sistemini geliştirmiş olabilirsiniz, ancak henüz tam çalışan bir motora sahip değilsiniz. Microsoft’un bulduğu şey son derece önemli bir adım, ama hala daha yolun başındayız ve işlevsel bir kuantum bilgisayar için aşılması gereken çok sayıda engel var. Ki bu durum fizik tarihinde yeni değil. 2018’de, Hollandalı fizikçiler Majorana parçacıklarını bulduklarını iddia etmiş ancak daha sonra bu bulgu geri çekilmişti. Bu tür durumlar, bilim insanlarının yeni iddialara karşı daha temkinli yaklaşmasına neden oluyor.
Microsoft’un çalışması hakemli bir dergide yayınlandı ve şu ana kadar önemli bir itirazla karşılaşmadı, ancak bilimsel süreçte diğer laboratuvarların bu sonuçları doğrulaması ve genişletmesi gerekecek. Tabi iyimser tarafta olup bunun kuantum çağını başlatmasını ümit etmekten kimseye de zarar gelmez. Ama şunu çok net söyleyebiliriz. Bu konuda dünyada inanılmaz bir yarış var. Bu yıl zaten Kuantum Teknolojileri Yılı olarak da ilan edilmişti ve bundan sonra bu konuda daha çok haber duyacağız. 1900’de başlayan hikayenin tohumları gibi düşününce daha da anlamlı geliyor bu çabalar. Takipte olacağız.
