HABER MERKEZİ- Doğan Barış Abbasoğlu yazdı
“Kuantum bilgisayarları artık parçacık fiziğinin açıklamaya çalıştığı soruları büyük simülasyonlarla cevaplayabilecek bir düzeye geldi. Yapılan son iki deney, gelecekte kuantum bilgisayarlarının potansiyeli konusunda büyük umutlar yaratmış durumda.
Bilimsel gerçekleri anlamak ve keşfetmek, özellikle fizik gibi karmaşık alanlarda, genellikle doğrudan deneylerle sınırlı. Çünkü bazı fiziksel olaylar çok küçük, çok hızlı veya çok yüksek enerji düzeylerinde gerçekleşiyor; bu olayları doğrudan gözlemlemek ya da laboratuvar ortamında yeniden yaratmak çoğu zaman mümkün olamıyor.
Bilim alanında kullanılan simülasyonlar, gerçek fiziksel olayların matematiksel ve hesaplamalı modellerle yeniden yaratılmasını içeriyor. Simülasyonları geliştiren bilim insanları, parçacık fiziği gibi alanlarda yüksek enerjili çarpışmaları, parçacıkların etkileşimlerini veya atomik düzeyde gerçekleşen fenomenleri simüle ederek, olayların arka planındaki süreçleri anlamaya çalışır. Örneğin, CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) gibi parçacık hızlandırıcılarında gerçekleşen çarpışmaları anlamak için, fizikçiler çarpışmadan ortaya çıkan verileri ters mühendislik yöntemleriyle analiz eder.
Laboratuarlar yetersiz kalınca…
Ancak bu yöntem yalnızca sürecin son aşamalarını ortaya koyuyor. Sürecin tüm aşamalarını görebilmek için, parçacıkların davranışlarını gerçek zamanlı olarak simüle etmek gerekiyor. Örneğin, Higgs bozonu gibi temel parçacıkların oluşumu veya Büyük Patlama sırasında evrenin başlangıç anındaki süreçler, yaklaşık 10 milyar derece sıcaklık gibi muazzam koşullarda gerçekleşmiştir. Ayrıca, Büyük Patlama’nın ilk saniyesinde, madde oluşumunun gerçekleşmesi için evrenin inanılmaz yüksek enerji yoğunluğuna sahip olması gerekmektedir. Bu koşullar, yaşadığımız evrende hiçbir noktada, hiçbir şekilde oluşturulamayacak kadar ekstremdir. Söylemeye gerek de yok aslında, bunları gözlemlememiz de mümkün değil.
Simülasyonlarla neler öğrendik?
Bugüne kadar yapılan simülasyonlar sayesinde birçok önemli bilimsel keşfe imza atıldı. Örneğin, Higgs bozonunun varlığının tahmin edilmesi ve 2012 yılında CERN’de deneysel olarak keşfedilmesinde simülasyonlar önemli rol oynamıştı. Ayrıca, evrenin genişlemesini ve galaksilerin oluşum süreçlerini açıklamak için kozmolojik simülasyonlar kullanılarak karanlık madde ve karanlık enerjinin etkileri konusunda eşsiz bilgiler elde edildi. İklim biliminde de, küresel ısınmanın gelecekteki etkilerini tahmin etmek için gelişmiş iklim modelleri ve simülasyonlar kullanılmakta.
Neden kuantum bilgisayarlara ihtiyaç duyuyoruz?
Simülasyonların oluşturulup değerlendirilmesinde kullanılan araçlar son derece önemli. Bugüne kadar simülasyonlar çok büyük bir oranda klasik sistem tabanlı süper bilgisayarlarla gerçekleştiriliyordu. Günümüzde bilimin ulaştığı noktada klasik süper bilgisayarlar, kuantum fiziği ve parçacık fiziğinin karmaşıklığını gerçek zamanlı ve tüm ayrıntılarıyla ele almakta yetersiz kalmakta. Geleneksel bilgisayarlar, karmaşık fiziksel süreçlerin yalnızca belirli anlarına ait “anlık görüntülerini” yakalayabiliyor. Bu durum, parçacık fiziği simülasyonları için oldukça sınırlayıcı bir özellik.
Kuantum bilgisayarları, doğrudan kuantum fiziğinin ilkeleriyle çalıştıkları için, kuantum durumlarını ve bu durumların evrimini çok daha etkili bir şekilde temsil edebilir ve simüle edebilirler. Bu avantaj, “kuantum süperpozisyonu” ve “kuantum dolanıklık” gibi özelliklerden kaynaklanıyor.
Kuantum süperpozisyonu, bir parçacığın veya sistemin aynı anda birden fazla durumda bulunabilme özelliğini ifade eder; klasik fizikte kesinlikle mümkün olmayan bu durum, kuantum bilgisayarların aynı anda çok sayıda olası çözümü değerlendirebilmesini sağlar.
Kuantum dolanıklık ise, parçacıkların durumlarının birbirine bağlı olmasıdır; bu durumda bir parçacığın durumu ölçüldüğünde, ne kadar uzakta olursa olsun diğer parçacığın durumu anında etkilenir. Bu özellik sayesinde kuantum bilgisayarlar, parçacıklar arasındaki karmaşık etkileşimleri daha doğru bir şekilde simüle edebilir ve bu etkileşimlerin zaman içinde evrimini gerçekçi olarak modelleyebilir.
Parçacık fiziği konusunda son simülasyonlar
Son dönemde yapılan iki önemli çalışma, kuantum bilgisayarların bu alandaki potansiyelini gözler önüne serdi. Avusturya’daki Innsbruck Üniversitesi’nden Torsten Zache ve ekibi, QuEra firmasının ürettiği, lazerler ve elektromanyetik darbelerle kontrol edilen aşırı soğuk atomlardan oluşan bir kuantum bilgisayar kullanarak, parçacık hızlandırıcılardaki koşullara benzer şekilde yüksek enerjili parçacıkların kuantum alanlarındaki davranışlarını simüle ettiler. Google’dan Pedram Roushan ve ekibi ise, Google’ın küçük süperiletken devreler kullanan Sycamore kuantum bilgisayarını kullanarak benzer bir simülasyonu gerçekleştirdi.
Bu çalışmaların önemi, klasik bilgisayarların anlık simülasyonlarının aksine, parçacıkların zaman içindeki davranışlarını sürekli ve gerçekçi bir şekilde gösterebilmesi. Her iki ekip de, parçacıkların birbirlerine bağlı hareket ederken ayrılarak enerji ipliklerinin kopması gibi kritik dinamik süreçleri simüle etmişlerdi. Bu enerji ipliklerinin kopması, atomların çekirdeğini oluşturan kuarkları tutan “güçlü kuvvet” açısından son derece önemli.
Kuantum bilgisayarları seviye atladı
Münih Üniversitesi’nden Jad Halimeh’e göre, bu yeni deneyler kuantum bilgisayarlarını klasik bilgisayarlarla eşit seviyeye getirdi. Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndan Anthony Ciavarella, kuarkların enerji ipliği kopması olayının teorik sorular açısından büyük önem taşıdığını ve yakın zamana kadar kuantum donanımlarının bunu simüle etmekte zorlandığını belirtti.
Ancak şimdi, Halimeh’e göre, kuantum bilgisayarları parçacık hızlandırıcılarının içindeki süreçleri anlamak için “anahtar bir rol” oynamaya hazırlanıyor. Çarpıştırıcıda gerçekleşen çarpışmalardan çıkan parçacıkların davranışını ters mühendislik ile anlamaya çalışmak yerine, kuantum bilgisayarlarıyla doğrudan bu çarpışmaları baştan itibaren gerçekçi şekilde modellemek mümkün olacak.
Zache, bu yaklaşımın gelecekte önemli bir araç olacağına inandığını vurguluyor. Ancak bunun için kuantum bilgisayarların boyut ve kapasite olarak büyütülmesi ve üç boyutlu uzamsal simülasyonlar yapılması gerektiğinin altını çizmekte. Roushan, mevcut kuantum bilgisayarların sınırlılıkları ve gerçeği ile çalıştıklarını, simülasyonların hem donanım hem de yazılım bakımından sürekli geliştirilmesi gerektiğini belirtti. Şimdilik, bu tür simülasyonlar, daha az ekstrem parçacık fiziği olaylarını ve egzotik kuantum malzemelerindeki parçacık davranışlarını anlamaya yardımcı oluyor.
Potansiyeller ve gelecek ufukları
Kuantum bilgisayar teknolojisi henüz gelişim aşamasında olup, günümüzde sınırlı sayıda kuantum bitinden (kübit) oluşan sistemlerle çalışıyor. Google’ın Sycamore gibi mevcut kuantum bilgisayarları, belirli simülasyonları gerçekleştirebilse de daha geniş çaplı ve kompleks sistemlerin simülasyonunu yapmak için çok daha fazla kübit ve gelişmiş algoritmalara ihtiyaç duyuluyor. Ayrıca, kuantum durumlarının kararlılığını uzun süre koruyabilmek ve kuantum hatalarını düzeltmek, karşılaşılan temel teknik zorluklar arasında.
Önümüzdeki dönemde, kuantum bilgisayarların kapasitelerini artırmak ve daha karmaşık simülasyonları mümkün kılmak için donanım ve yazılım alanlarında önemli ilerlemeler kaydedilmesi gerekiyor. Özellikle kübitlerin kararlılığını artırmak, hata düzeltme yöntemlerini geliştirmek ve kuantum bilgisayarların boyutlarını büyütmek, aşılması gereken kritik eşikler olarak görülmekte. Bu alanlarda yapılacak ilerlemelerle birlikte kuantum bilgisayarların, parçacık fiziğinden kimyaya ve malzeme bilimlerine kadar pek çok alanda devrim niteliğinde keşiflere imza atması bekleniyor.”
Kaynak: Yeni Özgür Politika
