kuantum bilgisayarların “imkansız” cevapları nasıl denetlecek?

Kuantum bilgisayarlar, klasik süper bilgisayarların milyonlarca hatta milyarlarca yılda çözemeyeceği problemleri dakikalar içinde çözebilecek devrim niteliğinde bir teknoloji vaat ediyor. Peki ya bu “imkansız” soruların cevaplarını kontrol edemiyorsak? İşte tam da bu noktada, Avustralya’nın Swinburne Teknoloji Üniversitesi’nden bir ekip, kuantum bilgisayarların doğrulanabilirlik paradoksuna cesur bir çözüm getiriyor.

Doktora sonrası araştırmacısı Alexander Dellios önderliğindeki ekip, ışık parçacıklarını (fotonlar) kullanarak hesaplama yapan Gauss Bozon Örnekleyici (Gaussian Boson Sampler – GBS) tipi kuantum bilgisayarların çıktılarını dakikalar içinde ve sıradan bir dizüstü bilgisayarla doğrulayabilen yöntemler geliştirdi. Bu, 9.000 yıllık bir klasik hesaplamayı birkaç dakikaya indiren devrim niteliğinde bir atılım.

Problemin Çekirdeği: Neden Kuantum Sonuçlarını Doğrulamak Bu Kadar Zor?

Dellios’un da vurguladığı gibi: “Dünyanın en hızlı süper bilgisayarının bile çözemeyeceği bir sorunlar yelpazesi var. Eğer cevap için milyonlarca yıl beklemeye razı değilseniz kuantum bilgisayarları doğrulamak için kuram ve sonuç arasında yıllar alacak bir karşılaştırma yapmadan nasıl kıyaslama yapacağımızı gösteren yöntemlere ihtiyacımız var.”

yeni yarı iletken litografi savaşı

×

Kuantum bilgisayarların doğrulanmasındaki zorluk üç ana faktörden kaynaklanıyor:

1. Hesaplamanın Üstünlüğü: GBS gibi sistemler, fotonların kuantum girişim özelliklerini kullanarak olasılık dağılımları üretir. Bu dağılımları doğrudan hesaplamak, boyutlar büyüdükçe üssel olarak karmaşıklaşır.
2. Kuantum Karadelik Sorunu: Kuantum bitleri (kubotlar) çevresel etkilere son derece duyarlıdır, doğrudan gözlenemez ve kopyalanamaz. Kopyalanamazlık (No-cloning) teoremi, kuantum durumlarının klasik bitler gibi kopyalanmasını imkansız kılar.
3. Gürültü ve Hata: NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) dönemindeki mevcut kuantum cihazlar gürültülüdür ve hata oranları yüksektir. Bu gürültünün analizi, doğrulama sürecini daha da karmaşıklaştırır.

Swinburne Çözümü: Pozitif-P Faz Uzayı Simülasyonları

Araştırma ekibi, bu zorluğu pozitif-P faz uzayı dağılımı (positive-P phase-space distribution) adı verilen olasılıksal bir örnekleme yöntemi kullanarak aştı. Bu teknik, kuantum olasılık dağılımlarını doğrudan hesaplamak yerine olasılıksal örnekleme ile karmaşıklığı dramatik olarak azaltıyor.

Teknik Detaylar (biraz daha anlaşılır kılmak için)

Gauss Bozon Örnekleyicisi nedir?

• Foton kaynaklarından oluşan bir kuantum optik sistemi
• Fotonlar sıkıştırılmış (squeezed) durumda üretilir ve bir optik devrede birbirleriyle girişim yapar
• Çıktıda foton dedektörlerinde hangi kanallarda kaç foton olduğunu ölçer
• Bu ölçüm, olasılık dağılımının bir örneğidir

Pozitif-P Simülasyonu nasıl çalışır?

• Kuantum durumlarını klasik olasılık dağılımları olarak temsil eder
• Gruplandırılmış Sayım Olasılıkları (Grouped Count Probabilities – GCP) ve Mandel’in gruplandırma metodu ile istatistiksel doğrulama yapar
• Tüm olasılık dağılımını simüle etmek yerine belirli olasılık kümelerini verimli bir şekilde hesaplar
• Bu, doğrudan klasik simülasyona göre 10^18 (1 milyar milyar) kat daha hızlı olabilir!

Dellios, bu yöntemin “dakikalar içinde GBS deneyinin doğru cevabı verip vermediğini ve varsa hangi hataların olduğunu belirleyebileceğimizi” vurguluyor.

9.000 Yıllık Deneyin Dakikalar İçinde Doğrulanması

Ekibin yöntemini test etmek için kullandığı örnek, 288 modlu (kanallı) bir GBS deneyiydi. Bu deneyi klasik yöntemlerle tekrarlamak 9.000 yıl alacaktı ve Xanadu’nun Borealis deneyine dayanıyordu.

Bulgular: Beklenmedik Gürültünün Tespiti

Swinburne ekibinin analizi şu kritik sonuçları ortaya çıkardı:

1. İdeal Modelle Uyuşmazlık: Elde edilen olasılık dağılımı, deneyin hedeflediği ideal kuantum durumuyla örtüşmüyordu.
2. Ekstra Gürültü: Deneyde daha önce analiz edilmemiş ek gürültü tespit edildi.
3. Parametre Uyumu: GBS parametrelerine küçük değişiklikler yapıldığında, veri ve model arasında anlamlı uyum sağlandı.
4. Kuantumluğun Korunması: Ancak bu hataların kuantum bilgisayarın kuantumluluğunu (quantumness) yitirilip yitirilmediği henüz bilinmiyor.

Margaret Reid ve Peter Drummond ile birlikte yazılan makalede, “verilerin mükemmel sıkıştırma için teorik tahminlerle tutarsızlıklar gösterdiği, ancak GBS parametrelerine yapılan küçük bir değişikliğin uyumu büyük ölçüde iyileştirdiği” belirtiliyor.

Neden Bu Kadar Önemli?

1. Ölçeklenebilir Doğrulama

Mevcut yöntemler, küçük ölçekli sistemler için çalışıyor ancak büyük ölçekli kuantum avantajı iddiaları için yetersiz kalıyor. Swinburne’un yöntemi, 144 ve 288 modlu sistemler gibi büyük ölçekli deneyler için ölçeklenebilir.

2. Hata Düzeltme için Geri Bildirim

Dellios’un vurguladığı gibi, “bu yöntemler, bu sistemleri etkileyen hataların neler olduğu ve bunlar için nasıl düzeltme yapılacağı konusundaki anlayışımızı artırır, böylece kuantumluğun sürdürülmesini sağlar.”

3. Ticari Kuantum Bilgisayarlar İçin Yol Haritası

John Templeton Foundation ve NTT Phi Laboratories’ın desteklediği bu araştırma, hatasız ticari kuantum bilgisayarların geliştirilmesi için ölçeklenebilir doğrulama protokolleri sağlıyor.

4. Kuantum Üstünlüğünün Gerçek Doğrulanması

Google’ın 2019’da iddia ettiği “kuantum üstünlüğü” (Sycamore işlemcisiyle 200 saniyede yapılan hesaplama), IBM’in itirazıyla tartışmalı hale gelmişti (IBM aynı işi 2.5 günde yapılabileceğini öne sürdü). Swinburne’un yöntemi, bu tür iddiaların objektif olarak doğrulanmasını sağlayabilir.

Gelecek ve Sonuçlar

Araştırma ekibi şimdi iki kritik sorunun peşinde:

1. Alternatif Dağılımın Zorluğu: Tespit edilen alternatif olasılık dağılımını klasik olarak replike etmek de hesaplama açısından zor mu?
2. Kuantumluğun Korunması: Bu hatalar sistemin kuantum avantajını yok mu etti?

Dellios, “büyük ölçekli, hatasız kuantum bilgisayarlar geliştirmek, eğer başarılırsa ilaç geliştirme, AI, siber güvenlik alanlarını devrimleştirecek ve fiziksel evreni anlama konusundaki anlayışımızı derinleştirecek” diyor.

Önümüzdeki Yıllar İçin Beklentiler

• Gerçek Zamanlı Doğrulama: Kuantum bilgisayarlar çalışırken paralel olarak doğrulama yapılabilecek.
• Standart Doğrulama Protokolleri: Farklı kuantum mimarileri için (süper iletken, iyon tuzaklı, fotonik) genelleştirilebilir yöntemler.
• Hata Düzeltme Döngüleri: Doğrulama sonuçları, kuantum hata düzeltme algoritmalarına geri beslenecek.

Sonuç: Güvenilir Kuantum Çağının Başlangıcı

Swinburne Üniversitesi’nin geliştirdiği bu doğrulama yöntemi, kuantum bilgisayarların kara kutu olma durumunu sona erdirebilecek bir mihenk taşı niteliğinde. 9.000 yıllık hesaplamaları dakikalara indiren bu teknik, kuantum avantajı iddialarını objektif olarak test edebilmemizi ve sistemlerdeki gürültüyü tespit edebilmemizi sağlıyor.

Eğer kuantum bilgisayarlar gerçekten vaat ettikleri devrimi gerçekleştirecekse onların doğruluğundan emin olabileceğimiz yöntemler geliştirmek şart. Alexander Dellios ve ekibi, işte tam bu noktada kuantum geleceğin inşasının temel taşını yerleştiriyor.

Bu araştırma, kuantum bilgisayarların sadece hızlı değil, aynı zamanda güvenilir ve doğru olduğu bir çağın habercisi olabilir.

Kaynaklar

• https://doi.org/10.1088/2058-9565/adfe16
• https://scitechdaily.com/if-quantum-computing-is-solving-impossible-questions-how-do-we-know-theyre-right
• https://www.swinburne.edu.au/news/2025/05/quantum-computing-validation-breakthrough
• https://phys.org/news/2025-05-quantum-impossible-questions-right.html
• https://www.azoquantum.com/Article.aspx?ArticleID=425
• https://www.xanadu.ai/borealis
• https://quantumai.google/learn/quantum-supremacy
• https://www.swinburne.edu.au/research/quantum-science-and-technology-theory