Sonunda insanoğlu başına buyruk atomları bile evcilleştirmenin yolunu buldu, desene! Kuantum bilgisayarlarına bir yoğun bakımcı gözünden bakış.

 

Büyük veride üzerinde çalışabilmek ve yapay zeka uygulamalarını hızlı bir şekilde yapabilmek için piyasadaki en güçlü i9 işlemcili, 128 gb …vs lik bir bilgisayar aldım. Başta iyiydik ama  Claude Code akıllandıkça daha çok düşünmeye başladı ve ben ne yapıyor diye seyrettikçe göz ağrılarım başladı. Ben de ne yaptım gene kitapçılara dadandım. Yapay zeka Fable 5.1 mi oldu en son, o düşüne dursun ben de kitaba çeviriyorum kafamı böylece ekran sürem kısalıyor.  Bir yıldır unuttuğum kitap raflarında yeni neler var bakim dedim. İki hafta önce başlığında konusu olan kuantum  işine bir gireyim yoğun bakımda ne yapabiliriz diye. Kendi çalışmalarıma şu anda bir katkı bulamamış ve kafamda bir çok soru işaretiyle bu işin peşini bırakmıştım. Bilim kitaplarının içinde MICHIO KAKU’nun yazmış olduğu Kuantum Üstünlüğü kitabı gözüme çarptı. Aklımdaki bazı soru işaretlerine cevap oldu henüz ilk sayfalardayım ama uzun zamandır bu kadar çok altını çizdiğim kitap olmamıştı. Anlayabildiğim kadarıyla sizinle paylaşmak istedim. Kitabın yazıldığı 2023 yılında bir çipe 80 milyar transistör sığarken, 2027’ye yaklaştığımız günlerde NVIDIA Rubin GPU 336 Milyar transistör içeriyor. Kitabın yazıldığı dönemde transistörlerin en ince katmanları yaklaşık 20 atom kalınlığındaydı. Bugün laboratuvarlarda, tek bir moleküler katmandan (S–Mo–S) oluşan ve kalınlığı yaklaşık 0,7 nanometre olan molibden disülfür (MoS₂) gibi iki boyutlu malzemeler deneniyor.

Tırnak büyüklüğünde bir çipten üst üste istiflenmiş transistörlere, oradan da tek tek atomlara.

"Çip hâlâ tırnak büyüklüğünde, ama içindeki her bir anahtar artık atom ölçeğine yaklaşmış durumda. Moore Yasası'nın" [iki katına çıkma"] son yıllarda transistör büyümesini fazla tahmin ettiğini ve gerçek büyümenin daha çok her 6,6 yılda bir iki katına çıkma yönünde yavaşladığını ortaya koymuştur. Dikey istifleme: IBM, 2026 yılında "nanostack" teknolojisini tanıtarak transistörleri dikey olarak üst üste yerleştirmiş ve çip yoğunluğunu yaklaşık olarak iki katına çıkarmıştır. Tırnak büyüklüğündeki bir çipe laboratuvar ortamında 100 milyar transistör sığdırdığını iddia etmektedir. Günümüzde sektör, salt transistör sayısından çok yapay zeka hesaplama gücü (Huang Yasası ), enerji verimliliği (Koomey Yasası) gibi boyutlara daha fazla önem vermektedir.

Günümüzün bilgisayarları mikroçiplerle çalışmakta ve halen 0 ve 1 dizilimi yöntemiyle bitlerle işlem yapmaktalar. 1981–82’de Feynman düşüncesi günümüzde gerçekleşmiş durumda 0 ve 1 dizilimi yerine atom durumlarını kullanarak transistörler yerine atomları kullanarak bir atom bilgisayarı oluşturabilir miyiz? Günümüzde birçok kuantum hesaplama platformu, bilgi kodlamak için doğrudan atomları veya atom altı parçacıkları kullanmaktadır.

Elektromanyetik alanlarla hapsedilen iyonların iç durumları kübit olarak kullanılır. İterbiyum, Baryum ya da Kalsiyum gibi bir element ısıtılıp küçük bir atom buharı oluşturulur. Lazerle bu atomlardan bir elektron koparılır. Atom artık pozitif yüklü bir iyondur, yani elektrik alanına tepki verir. İyon, havası neredeyse tamamen havası alınmış elektrotlardan oluşan bir vakum odasında hapsedilir (Paul tuzağı). Günümüzde bu elektrotlar çoğu zaman tırnak büyüklüğünde bir çipin yüzeyine yerleştirilir. Sabit elektrik alanında bir yük üç boyutta kararlı tutulamaz (Earnshaw teoremi). Bu nedenle saniyede milyonlarca kez yön değiştiren bir radyofrekans alanı kullanılır.  Alan iyonu bir yöne iterken diğer yönden kaçmaya başlar, ama alan tersine döndüğü için geri itilir. Ortalamada iyon, görünmez bir çukurun dibinde salınır. Bunu, eyer şeklinde dönen bir yüzeyde topun düşmeden durmasına benzetebilirsiniz. Birden fazla iyon da aynı tuzakta yan yana dizilip birbirini iterek tespih taneleri gibi bir sıra oluşturur. Aralarındaki mesafe birkaç mikrometredir.

Altın elektrotlu bir çipin üzerinde asılı duran iyon dizisi. Eyer biçimli yüzey, iyonu yerinde tutan dönen alanı simgeliyor.

Kübitlerin en büyük düşmanlarından biri ısıdır. Isı demek titreşim demek, titreşim de kübitin süperpozisyonunu bozan gürültü demek. Bu yüzden kuantum bilgisayarlar atomları ya da devreleri olabildiğince ‘dondurmak’ zorunda. Bunun iki yolu var. IBM ve Google’ın kullandığı süperiletken bilgisayarlarda çipin tamamı, mutlak sıfıra çok yakın (yaklaşık −273°C) sıcaklığa inen, insan boyunda ve avize gibi asılı duran soğutuculara konur. 

Bu yüzden bu makineler pahalıdır ve evde kullanılamaz. İyon tuzaklı bilgisayarlarda ise bir buzdolabı yerine iyonların kendisi lazerle tek tek soğutulur. Ayrıca bu sistemlerde de vakumu iyileştirmek için kriyojenik ortamlar kullanılır. Tuzağa giren iyon hâlâ titreşir. Frekansı hafifçe ayarlanmış lazer fotonları, iyon ışığa doğru hareket ettiğinde daha çok soğurulur ve onu frenler. İyon mutlak sıfıra çok yakın bir hareket durumuna iner.

Lazer fotonlarıyla frenlenen bir iyon, telaşlı titreşimden neredeyse tam durgunluğa iniyor (temsili).

Sonunda insanoğlu başına buyruk atomları bile evcilleştirmenin yolunu buldu, desene!

Kübit, iyonun iki elektron enerji seviyesidir (0 ve 1). Hassas lazer ya da mikrodalga atımlarıyla iyon bu seviyeler arasında çevrilir ve süperpozisyona sokulur. Okuma (gözetleme) floresansla yapılır. Yalnızca “1” durumundaki iyonu uyaran bir lazer gönderilir. İyon 1'deyse ışığı tekrar tekrar soğurup yayar ve parlar. 0'daysa karanlık kalır. 

Hassas bir kamera ya da foton sayıcı her iyonun parlak mı karanlık mı olduğunu görür. Laboratuvarda bu iyonların kamera görüntüsü gerçekten çekilebiliyor. Siyah zemin üzerinde bir sıra parlak nokta olarak görünüyorlar. Tek tek atomu çıplak gözle değil ama kamerayla “görmenin” mümkün olduğu nadir sistemlerden biri.

Parlayan iyonlar “1”, karanlık kalan iki iyon “0”. Gerçek laboratuvar görüntüleri de buna çok benziyor.

Kuantum durumları son derece kırılgandır ve çevresel gürültüden kolayca etkilenir. Şu anda "hataya dayanıklı kuantum hesaplama" hala en zorlu hedeflerden biridir; IBM gibi şirketler 2029 yılına kadar ilk büyük ölçekli hataya dayanıklı kuantum bilgisayarını tanıtmayı planlamaktadır.

Gelecekte hesaplamalar muhtemelen  klasik ve kuantum bilgisayarların birlikte çalıştığı hibrit modeller olacak gibi görünüyor. Telefon ve PC’lerimiz günlük görevleri yaparken, bulut arkasındaki kuantum bilgisayarlar bilim insanlarının daha önce çözülemeyen karmaşık problemlerin üstesinden gelmesine yardımcı olacaktır.

Kuantum bilgisayarların güçlü yönü, moleküler simülasyon, büyük sayıları çarpanlara ayırma gibi belirli problemlerdir.

Atom altı parçacıkların dünyası 0 veya 1’den çok daha karmaşıktır. Atomlar dönen bir topaç gibi içinde bulundukları manyetik alana göre yukarı veya aşağı hizalanabilirler.  Bu ikisi arasında herhangi bir kombinasyonda dönme gösterebilirler. Atomların dairesel dönme hareketlerinin kombinasyonları sonsuz çeşitlilik gösterebilir. Kaku’nun  kitabında verdiği açıklama kuantumu anlamamı sağlayan paragraf oldu. “ Atom zamanının %10’luk kısmını yukarı yönlü %90 ‘ının ise aşağı yönlü dairesel hareket yapabilir. Ya da zamanının %65’inde yukarı yönlü %35 inde ise aşağı yönlü dairesel hareketler de yapabilir.

Masaya bir para koy. Ya yazı gelir ya tura, değil mi? Bilgisayarların içindeki küçük bilgi parçaları da böyledir: ya 0'dır ya 1. Şimdi parayı havaya at ve dönerken düşün. Dönerken ne yazı ne tura diyebilirsin, ikisinin de şansı var. Ancak yakalayıp baktığında biri çıkar. Kuantum bilgisayarlardaki ‘kübit’ de buna benzer: sen bakana kadar 0 ile 1 arasında bir karışım hâlindedir, baktığın anda birini seçer. Ama işin sihirli kısmı başka. Kübitler birbirleriyle de etkileşime girebilirler. Dijital bitler bağımsızdırlar ama kübitler sayıları arttıkça olası etkileşim sayıları ikiye katlanır. Kübitler bitlerinin aksine birbirleriyle etkileşime girebilirler. Buna dolanıklık adı verilir.

Dönen para ne yazıdır ne tura. Yakalayıp baktığınızda biri seçilir.

Yahu ben kuantum dolanıklığı diyorum, hatun ev dağınık çamaşırları katla diyor 😊 Bilim yapmak zor bizim evde.

Neyse havuza iki taş atınca oluşan dalgaları hiç izlediniz mi? Bazı yerlerde dalgalar birleşip büyür, bazı yerlerde birbirini yok eder ve su düzleşir. Kübitlerin içindeki ihtimaller de dalga gibi davranır. Kuantum bilgisayar bu dalgaları öyle ayarlar ki yanlış cevaplar birbirini silsin, doğru cevap büyüsün. Böylece bazı zor bulmacaları normal bilgisayarlardan çok daha hızlı çözebilirler. Günümüz kuantum bilgisayarlarının kullandığı fiziksel kübit donanımdaki ham, gürültülü birimdir. Mantıksal kübit ise birçok fiziksel kübitin hata düzeltmeyle birleştirilmesinden oluşan güvenilir birimdir. Gerçek hesap için önemli olan ikincisidir. Mantıksal kübit sayısında rakamlar onlar düzeyinde. Microsoft ve Quantinuum’un H2 sistemi (2024'te duyurulan, 2026'da Nature'da yayımlanan) yaklaşık binde 2 mantıksal hata oranıyla 12 mantıksal kübit gösterdi. Bu sonuç önemli, çünkü düzeltilmiş hata oranı alttaki fiziksel hata oranının altına indi. Daha büyük bir sayı da raporlanmış: IBM ve Chicago Üniversitesi, Temmuz 2026'da 70 mantıksal kübitle bir deney bildirdi. 2.415 mantıksal iki-kübit işlemi ve 468 T kapısı çalıştırılmış, mantıksal hata oranı fiziksel oranın 10 kat altında kalmış. Düşük hata oranı, yüksek kübit sayısından daha önemli olabilir.

Dalgalar bazı yerlerde birbirini büyütüyor, bazı yerlerde siliyor.

Bir kuleyi Lego’larla yükselttiğini düşün. Her parçayı takarken çok çok küçük bir ihtimalle yamuk takıyorsun, diyelim bin parçada bir. ‘Bu çok az’ dersin, değil mi? 10 parçalık küçük bir kule yaparken neredeyse hiç sorun çıkmaz. Ama bin parçalık dev bir kule yaparsan, bir yerde mutlaka yamuk bir parça olur ve kule eğilir. On bin parçalık bir kulenin düzgün çıkması neredeyse imkânsızdır.

Kuantum bilgisayarlar da böyle çalışır. Her işlemde küçük bir hata yapma ihtimalleri var. Kübitler çok hassastır: küçük bir titreşim, biraz ısı ya da bir manyetik dalgalanma onları bozabilir. Kısa bir hesap yapınca sorun olmaz, ama uzun ve zor bir hesapta hatalar birikir ve sonuç yanlış çıkar.

Bilim insanları bunu nasıl çözüyor? Önemli bir bilgiyi tek bir arkadaşına değil, üç arkadaşına söylediğini düşün. Sonra bilgiyi geri istediğinde ikisi aynı şeyi söylüyor, biri farklı söylüyorsa, ikisine inanırsın. Kuantum bilgisayarlar da bir bilgiyi tek kübite değil, bir kübit ekibine yazar. Ekipteki bir kübit hata yaparsa diğerleri onu fark edip düzeltir. Böyle güvenilir bir ekibe ‘mantıksal kübit’ denir.

Yani bir kuantum bilgisayarın ne kadar iyi olduğunu anlamak için ‘Kaç kübiti var?’ diye sormak yetmez. ‘Ne kadar az hata yapıyor?’ diye de sormak gerekir.” Bin kübitiniz olsa bile her yüz adımda bir bozuluyorsa, uzun bir hesabı bitiremezsiniz.

Bugün onlarca mantıksal kübitteyiz, işe yarar büyük hesaplar için birkaç yüz ile binler gerekiyor. 300 kübitin evrendeki atom sayısından fazla durumu temsil eder (n kübit → 2ⁿ). Teknolojinin üstel hızla geliştiği bu dönemde, şirketlerin yol haritalarına bakılırsa bu aşamaya gelmek çok uzun sürmeyebilir.

Yani haberlerde bir kuantum rekoru gördüğünüzde üç soru sorabilirsiniz:

Bu fiziksel mi mantıksal kübit mi ?

Hata oranı ne?

 Kaç adımlık bir hesap çalıştırabiliyor?

Bu kübitlerle art arda kaç işlem yapılabildiği (Devre derinliği) önemli. Birkaç adımda bozulan bir sistem büyük bir hesabı bitiremez. IBM’in hedeflerini “200 mantıksal kübit, 100 milyon kapı” diye vermesinin sebebi bu.

Michio Kaku şöyle yazmış “Yeryüzünün en önemli süreçlerinden biri olan fotosentez, oda sıcaklığında gerçekleşen bir kuantum mucizesi örneğidir. Doğada var olan bu mucizevi tutarlılığın nasıl gerçekleştiğini çözebilirsek yaşamın sırrını da çözebiliriz. “  

Bugün başucunda doğrudan bir Yoğun bakım pratiği yok. Yakın vadede dolaylı yollar var: ilaç ve molekül simülasyonu, büyük optimizasyon problemleri. Kuantum algılayıcılar ise kuantum bilgisayarlardan daha önce kliniğe girebilir.

Peki yoğun bakımda bunun ne anlamı var?

Gelecekten bir kare: yatak başında hafif bir kuantum algılayıcı başlıkla beyin işlevini izlemek (temsili).

Dürüst olayım bugün yatak başında kuantum bilgisayarla yapılan bir yoğun bakım uygulaması yok, yakın zamanda olacağını da sanmıyorum. Ama kapı dört yerden aralanıyor. İlki, belki de en yakını, kuantum algılayıcılar. Bunlar bilgisayar değil. Atomların manyetik alana karşı olağanüstü duyarlılığını ölçüm aracına çeviren cihazlar. Optik pompalı manyetometrelerle beynin ve kalbin ürettiği çok zayıf manyetik alanlar, dev soğutuculara gerek kalmadan, başa takılan hafif bir başlıkla ölçülebiliyor. Bugün klinik araştırma aşamasındalar. Bir gün bilinci kapalı hastanın beyin işlevini yatak başında izlemenin yeni bir yolu olabilirler.

İkincisi ilaç ve molekül simülasyonu. Bir antibiyotiğin bakteri enzimine nasıl bağlandığını, direncin nasıl geliştiğini atom düzeyinde hesaplamak klasik bilgisayarları zorlayan bir iş. Kuantum bilgisayarların doğal olarak iyi olduğu alan da tam olarak bu. Sepsis ve dirençli enfeksiyonlarla boğuşan biz yoğun bakımcılar için umut verici, ama bunun için yıllar gerekecek.

 Üçüncüsü optimizasyon; yatak planlaması, nöbet çizelgeleri, kaynak dağılımı. Burada temkinli olmak lazım. Bu tür problemlerde klasik algoritmalar zaten çok iyi ve kuantumun belirgin bir üstünlüğü henüz gösterilmedi.

Dördüncüsü en az konuşulanı ama belki de en somutu: hasta verisinin güvenliği. Yeterince güçlü bir kuantum bilgisayar, bugün hasta kayıtlarını koruyan şifreleme yöntemlerinin bir kısmını kırabilecek. "Şimdi topla, sonra çöz" diye anılan risk de bu: Bugün çalınan şifreli veri yıllar sonra açılabilir. ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) 2024'te kuantuma dayanıklı şifreleme standartlarını yayımladı. Hastanelerin bu geçişi şimdiden planlaması gerekiyor.

Son olarak bir uyarı: Önümüzdeki yıllarda "kuantum yapay zekâ sepsisi önceden tahmin ediyor" gibi başlıklar göreceğiz. O zaman yukarıdaki üç soruyu hatırlayın: Fiziksel mi, mantıksal mı? Hata oranı ne? Kaç adımlık bir hesap? Bir de dördüncüsünü ekleyelim: Aynı işi klasik bir bilgisayar da yapabiliyor muydu?

Bunlar benim 10 sayfa kitap okuyup yaptığım çıkarımlar. Hele kitap bitsin, farklı çıkarımlarımı mutlaka paylaşırım.

Sağlıcakla.

Doç Dr. Serdar Efe 

serdarefe@uludag.edu.tr

Görseller yapay zekâ ile üretilmiştir (Higgsfield); temsili niteliktedir.