Fizikçiler, sıradan bir bilgisayar, ileri düzey matematik ve özel yazılımlar kullanarak, daha önce klasik makinelerin erişemeyeceği kadar zor olduğu söylenen bir kuantum fiziği problemini çözmeyi başardı.
Çalışma, Simons Vakfı'na bağlı Flatiron Enstitüsü'ndeki Hesaplamalı Kuantum Fiziği Merkezi (CCQ) araştırmacıları ve Boston Üniversitesi'nden bilim insanları tarafından yürütüldü. Geliştirdikleri yöntem o kadar verimliydi ki bazı hesaplamalar kişisel bir dizüstü bilgisayarda bile çalıştırılabildi.
Bu yaklaşım, geleneksel donanımdan daha fazla işlem gücü elde ederek bilim insanlarının inceleyebileceği kuantum dinamiği problemlerinin kapsamını genişletebilir. Ayrıca araştırmacıların birçok olası çözüm arasından en iyisini bulması gereken optimizasyon problemleri için de faydalı bir strateji sunabilir.
Bulgular Science dergisinde yayımlandı.
Yüzlerce Etkileşimli Kübitin Modellenmesi
Zorluk, geleneksel bilgisayarların kullandığı bitlerin kuantum karşılığı olan yüzlerce etkileşimli 'kübitin' modellenmesini içeriyordu. Kübitler kare, kübik veya elmas şeklindeki kafesler halinde dizilmişti.
Geleneksel bir bit ya 0 ya da 1 değerini depolar. Ancak bir kübit, birden fazla durumun süperpozisyonunda bulunabilir. Bu özellik kuantum sistemlerine olağandışı yetenekler kazandırırken, davranışlarının klasik bir bilgisayarda yeniden üretilmesini son derece zorlaştırıyor.
Mart 2025'te yine Science dergisinde yayımlanan bir makalede, başka bir araştırma ekibi özellikle karmaşık bir kübit sisteminin dinamiklerini hesaplamak için kuantum bilgisayar kullandıklarını duyurmuştu. Ekip, klasik bir bilgisayarın bu başarıyı tekrarlayamayacağını iddia etmişti.
CCQ'da yardımcı araştırma bilimcisi ve yeni Science makalesinin ilk yazarı Joseph Tindall, "CCQ'da bu tür iddiaları gördüğümüzde her zaman biraz şüpheci yaklaşırız. 'Bunu denediniz mi? Şunu denediniz mi?' gibi sorular sorarız" diyor.
CCQ araştırmacıları için bu iddia, kendi tekniklerinin sınırlarını test etmek için ilgi çekici bir fırsat sundu.
Çalışmanın ortak yazarı ve CCQ araştırma bilimcisi Miles Stoudenmire, problemi araçlarını "test sürüşüne çıkarmak" için bir fırsat olarak gördüklerini belirtiyor. Stoudenmire, "Daha rastgele bir hedef seçebilirdik. Ama neden bu büyük iddiayı taşıyanı seçmeyelim ki?" diye ekliyor.
Kuantum Dolaşıklığının Zorluğu
En büyük engellerden biri kuantum dolaşıklığıydı. Kübitler dolaştığında, özellikleri birbirine bağlı kalır ve kübitler birbirinden çok uzak mesafelerle ayrılsa bile bu bağ kopmaz. Bu nedenle araştırmacılar her kübiti bağımsız olarak modelleyemez.
Bunun yerine, tüm sistemi tanımlamak için karmaşık algoritmalar gerekiyor.
Tindall, "Kuantum fiziğiyle etkileşen çok sayıda parçacığınız olduğunda, sistemin durumunu tanımlayan bir dalga fonksiyonunuz olur. Bu, parçacık sayısı arttıkça hızla büyüyen dev bir nesnedir" diye açıklıyor.
Dalga fonksiyonu, kuantum sistemini tanımlamak için gereken bilgileri içerir, ancak boyutu daha fazla parçacık eklendikçe katlanarak artar.
Dalga fonksiyonunun boyutu katlanarak büyüdüğü için "bunu doğrudan bilgisayarımda depolayamam" diyen Tindall, bu kadar büyük dalga fonksiyonlarıyla çalışmanın kuantum fiziğinde sürekli karşılaşılan bir sorun olduğunu vurguluyor. Yine de bu hesaplamalar, süper iletkenler de dahil olmak üzere kuantum malzemelerinin davranışını tahmin etmek için hayati önem taşıyor.
Dev Bir Kuantum Sistemini Sıkıştırmak
Araştırmacılar bu engeli, tensör ağlarına dayalı yeni araçlar geliştirip uygulayarak aştı. Bu matematiksel yapılar, bir dalga fonksiyonunda bulunan bilgileri sıkıştırarak daha verimli bir şekilde işlenmesini sağlıyor.
Tindall bu yaklaşımı, "Tüm bu bilgileri alıp birbirine bağlı küçük sayı tablolarıyla dolu bu matematiksel veri yapısına sıkıştırdığınız, dalga fonksiyonu için bir zip dosyası gibi" sözleriyle açıklıyor.
Bu sıkıştırma, simülasyonu klasik bilgisayarlarda yönetilebilir hale getirdi. Tindall, ilk hesaplamaların çoğunu, CCQ'da oluşturulan yüksek performanslı bir tensör ağı yazılım kütüphanesi olan ITensor'u kullanarak bir dizüstü bilgisayarda tamamladı.
Yeni simülasyonlar ayrıca ITensor ekibinin tensör tekniklerini yeni problem türlerine nasıl uyarladığını da gösteriyor. Bu durumda araştırmacılar, 3D tensör ağıyla üç boyutlu kuantum dinamiklerini modelledi.
Tindall, "Bu çok güçlü bir sıkıştırma ve çok etkili olabilir, ancak oldukça karmaşık bir matematiksel nesne. Bu gerçekten bir sınır bölgesi çünkü bu nesnelerle, özellikle de üç boyutta çalışmak çok keşfedilmemiş bir alan. Bunlarla başa çıkmak için karmaşık kodlar ve algoritmalar gerekiyor; bu başlı başına bir yazılım mühendisliği zorluğu" diyor.
Eski Bir Algoritma Yeni Bir Kullanım Alanı Buluyor
Simülasyonların çoğu nispeten mütevazı bilgi işlem kaynakları gerektirdi. İlk hesaplamalar için Tindall, 1980'lerde geliştirilen ve araştırmacıların yakın zamanda kuantum sistemlerine uyarladığı bir algoritma olan inanç yayılımını (belief propagation) kullandı.
Stoudenmire, "Diğer yöntemlerden biraz daha yaklaşık değerler veriyor, ancak çok daha ucuz ve birçok zor problemi çok daha doğrudan çalıştırabiliyoruz" diyor.
Bunu, "alanımızın geçmişteki daha karmaşık yöntemleri" ile karşılaştıran Stoudenmire, bu yöntemlerin "bu kadar büyük oldukları için bazı üç boyutlu problemlere yaklaşmaya bile başlayamayacağını" belirtiyor.
Donanım mütevazı olmasına rağmen, sonuçlar son teknoloji ürünü doğruluk seviyelerine ulaştı. Simülasyonlar, teorik tahminlerle uyumlu çözümler üretti ve doğru cevapların kontrol edilebildiği daha küçük problemlerde başarılı oldu.
En önemlisi, sonuçlar daha önce bir kuantum bilgisayar kullanılarak elde edilenlerle uyumluydu. Aradaki fark, yeni hesaplamaların kuantum donanımı gerektirmemesiydi.
Klasik ve Kuantum Hesaplama Birlikte Çalışabilir
Bulgular, klasik hesaplamanın nerede bittiği ve kuantum üstünlüğünün nerede başladığı tartışmasına yeni bir boyut kazandırıyor. Ancak Tindall ve Stoudenmire, iki alanın sadece birbiriyle rekabet etmediğini vurguluyor.
Klasik simülasyonlar, araştırmacıların kuantum bilgisayarların neler yapabileceğini anlamalarına yardımcı olabilirken, kuantum donanımındaki ilerlemeler de yeni klasik yöntemlere ilham verebilir.
Tindall, "Klasik ve kuantum hesaplama tartışmasının iyi tarafı, ilgilendiğimiz simülasyon türleri, yazdığımız kodlar ve bu kuantum bilgisayarlarda gerçekleştirilebilecekler arasında çok fazla sinerji olması. Bu bize yol gösterebilir ve aynı zamanda kuantum hesaplama araştırmacılarına da yardımcı olabilir, çünkü bazı şeyleri simüle etmek için giriş engeli bizim için onlardan çok daha kolay. Bir kuantum bilgisayar inşa etmek zorunda değiliz. Sadece biraz kod yazıp kişisel bilgisayarımda 'çalıştır'a basabiliyorum" diyor.
Sıradaki Kuantum Simülasyonu Zorluğu
Araştırmacılar şimdi yalnızca kübitten oluşan sistemlerin ötesine geçen yöntemler geliştiriyor. Bir sonraki hedefleri, farklı konumlar arasında hareket edebilen elektronları modellemek.
Bu sistemleri simüle etmek çok daha zor, ancak gerçek kuantum malzemelerini anlamak için doğrudan önem taşıyorlar.
