2022: Kuantum Bilgisayarlarının Son Durumu

[Resim 1]

Bu yazı Dünya Ekonomik Forumu’nun 2022 Eylül ayında yayınlamış olduğu kuantum hesaplamanın mevcut durumunu anlatan rapordan [1] özet çıkarılarak oluşturulmuştur.

Giriş ve Kısa Özet

Kuantum hesaplama dünyanın öncü ekonomileri tarafından stratejik bir teknoloji olarak görülüyor. Bu yeni hesaplama yöntemini sadece daha iyi bir klasik bilgisayar gibi düşünmekten ziyade iklim değişikliği, hastalıklar ve açlık gibi konularda ciddi bir potansiyel barındırdığını göz önünde bulundurmalıyız. Öte taraftan bu yükselen teknolojinin içerdiği belirsizlikler, sektörün hızlı ve parçalı yapısı karar alıcıların, özel sektörün ve kamu kurumlarının bu konuyu kavramasını, nasıl davranacağına dair kararlar vermesini zorlaştırıyor.

Resim 1. [2]: IBM firmasının geliştirdiği süperiletken temelli kuantum bilgisayar.

Kuantum teknolojileri özellikle atomların tekil olarak kontrol edilebilmesi ve kuantum mekaniğinin dolanıklık, süperpozisyon gibi bazı klasik fizikte veya günlük hayatta göremeyeceğimiz özelliklerini kullanan yeni hesaplama, iletişim ve sensör teknolojilerinin tamamını kapsar. Günümüzde çoğunlukla bu teknolojiler henüz araştırma ve geliştirme aşamasında olduğundan hangi alanlarda ve ne zaman kullanılabileceğini tahmin etmek kolay değil.

Pek çok araştırmacı kuantum hesaplamanın  20. yüzyılda klasik hesaplamanın dönüştürücü olduğu kadar etkili olmasını bekliyor. Ayrıca günümüzdeki güvenli iletişim protokolleri, şifreleme yöntemleri, blok zinciri teknolojileri için de riskler barındırıyor.

Kuantum hesaplamanın özellikle aşağıdaki 3 alanda en fazla etkiye sahip olması ve önemli ekonomik, çevresel ve sosyal fırsatları oluşturması bekleniyor:

1. Molekül simülasyonu, malzeme bilimi ve biyolojide keşifler,
2. Karmaşık sistemlerde risk yönetimi ve optimizasyon,
3. Yapay zeka, güvenlik, blok zinciri gibi konularda karşılıklı etkileşim.

Kuantum hesaplama için farklı donanım platformları, çeşitli gelişim seviyelerinde ve teknik başarılarla dünya çapında geliştiriliyor. Buna rağmen henüz herhangi bir donanım platformu (süper iletken kübitler, iyon tuzaklama, fotonik kuantum hesaplama, vb.) gerekli hız, kalite ve ölçeğe ulaşarak pratik ve gerçek hayat uygulamalarında klasik bilgisayarlardan üstün konumda değildir. Dahası hangi donanım platformunun ne zaman gerekli kalite ve ölçeğe ulaşacağını söylemek de henüz mümkün değil.

Aynı zamanda bugünkü mükemmel olmayan kuantum bilgisayarlarını kullanarak daha uygun. Pek çok kuantum hesaplama firması bulut erişimi ile farklı organizasyonların da kuantum uygulamaları ile deney yapmasına imkan sağlıyor. Teknolojik gelişmeler bu şekilde hızla devam ederse kuantum teknolojilerinin gerçek bir avantaj sağlaması sadece bir zaman meselesi olacak. Bu çalışmalar çok dikkat çekse de günümüzdeki ve gelecekteki gelişmeler işgücünün hazır olmasına, standartlaşma ve politikalara bağlı olacak. Kuantum bilgisayarlarının sahip oldukları belirsizliklere rağmen iş dünyası ve hükümetler şimdi harekete geçmek zorunda. Modern tarihimizin bu özel anında bu teknoloji olgunlaşırken ve şekillendirilirken herkes bu teknoloji için hazırlanabilir.

1. Kuantum Bilgisayarları: Hızlı Büyüyen bir Ekonomi

Son araştırmalara göre kuantum teknolojilerine kamu yatırımları 2022 itibariyle 30 milyar doları geçti. Özel yatırımlar 2021’de 3.2 milyar dolar ve son 10 yıl içinde 5.5 milyar doları aştı [3]. Ayrıca ulusal güvenlik sebebiyle tüm kamu yatırımlarının da rapor edilmemiş olabileceğini not etmeliyiz.

2022 başından beri dünya çapında 46 firma aktif olarak kuantum hesaplama donanımı geliştiriyor. Artan sayıda start-up sahneye giriyor ve dünya çapında yatırım topluyor. Sonuç olarak  süperiletken kübitler, nötral atomlar, tuzaklanmış atomlar, fotonik kübitler, silikon temelli kübitler gibi çeşitli donanım platformları farklı gelişmişlik seviyelerinde mevcut.

Resim 2 [1],[3]: Açıklanan planlanmış hükümet yatırımları, milyar $

2020 yılında özel yatırımların % 90’ı donanım firmalarına gitti. Öte taraftan donanım ve algoritma start-up sayısı donanım start-up sayısından daha hızlı artıyor. Bu durum donanım platformlarının gelişimi için devasa yatırımlara ihtiyaç duyulmasından ve birçok kişinin günümüz bilişim ekonomisinde uygulama noktasında çok fazla değer üretebileceğini düşünmesinden kaynaklanır. Kuantum bilgisayarlarına özel yatırım arttıkça daha fazla para yazılıma odaklanıyor.

Resim 3. [1] [4]: Göze çarpan özel finans anlaşmaları

2. Kuantum Hesaplama Ne yapabilir ve Ne Yapacak?

Kuantum bilgisayarlar klasik bilgisayarlara göre güçlü ve zayıf yönleri olacak. Doğal olarak klasik bilgisayarların yerini almaktan ziyade bir arada varolacaklar.

Malzeme Bilimine Etkileri:

Moleküllerin, kimyasal reaksiyonların, atomun veya elektronların davranışlarını kuantum mekaniği belirliyor. Bu süreçleri ve özelliklerini anlamak fizikte, kimyada ve biyolojide merkezi bir öneme sahip ve ilaç, enerji, tarım ve malzeme bilimindeki gelişmelerin de temelinde bulunuyor.

Kuantum hesaplamanın malzeme biliminde aşağıdaki alanlarda kullanabileceği öngörülüyor:

• Kimya temelli endüstrilerde spesifik bir görev için en etkili molekül yapılarını onları laboratuvarda üretmeden belirleyebilmede,

• Enerji üretimi ve depolanması alanında daha verimli güneş panelleri, yeni depolama teknolojileri, karbon tutma yöntemleri (Atmosferdeki fazla karbondioksiti katı hale dönüştürmek) geliştirilmesinde, enerjinin daha verimli kullanılmasında,

• Yiyecek üretiminde gübre üretiminde enerji verimliliğinin arttırılmasında, tarımsal ürün koruyucu kimyasal geliştirilmesinde,

• Sağlık alanında ilaç tasarımını daha verimli hale getirmek (üretmeye gerek kalmadan), protein katlanması probleminde, kişisel tıp uygulamalarının geliştirilmesinde.

Karmaşık Sistem Modelleme ve Karar Almaya Etkileri:

Birçok sektörde planlama ve operasyon için veriye artan bir güven oluştuğundan, kuantum hesaplama bu sektörlerin optimizasyon ve makine öğrenmesi süreçlerine yeni içgörüler katabilir ve daha iyi kararlar vermesini sağlayabilir.

Kuantum Hesaplama ile aşağıdaki alanlarda ilerleme kaydedilebileceği öngörülüyor::

• Finans alanında dolandırıcılık tespiti, kredi derecelendirmesi, daha iyi menkul kıymet ve türev değerlendirmesi, portfolyo optimizasyonu ve risk ve analizinde,

• Ulaşım ve lojistik alanında trafik ve rota optimizasyonu, uluslararası nakliye ve kargoda, global tedarik zincirinin yönetim ve koordinasyonunda,

• Yeni ürün tasarımı alanında havacılık sektöründe çok fazla tasarım faktörü olduğundan bu tasarımların geliştirilmesinde, endüstriyel ürün geliştirilmesinde.

Mevcut Dijital Altyapıya ve Araştırmaya Etkisi

Kuantum hesaplamanın en iyi olması beklenen optimizasyon, kuntum simülasyon, asal çarpanlarına ayırma, kuantum doğrusal cebiri gibi konular günümüzdeki mevcut teknolojilerin birçoğunun tıkanma noktasında bulunuyor. Ayrıca, kuantum hesaplama, makine öğrenmesi algoritmalarının geliştirilmesinde faydalı olabileceği gibi günümüz iletişim güvenliği ve blok zincir çözümlerinde yıkıcı etkiye sahip olabilir.

Kuantum teknolojilerinin dijital altyapıda aşağıdaki değişikliklere yol açması bekleniyor:

• Siber güvenlikte kuantum sonrası algoritmaların geliştirilmesi, kuantum rastgele sayı üretiminin kullanılmaya başlanması, kuantum anahtar dağıtımı iletişim protokolünün kullanılmaya başlanması,

• Yapay zeka alanında algoritmaların daha hızlı eğitilmesinde, küçük firmaların da karmaşık makine öğrenmesi algoritmalarını eğitebilmesinde, algoritmanın gerçek zamanlı eğitimi ve duruma göre kendini ayarlayabilmesinde,

• Savunma sanayinde daha iyi silah ve askeri malzeme geliştirilmesinde, savaş simülasyonunda, güvenli iletişim ağları geliştirmede,

• Bilimsel araştırmalarda, fizik, kimya, biyoloji, malzeme bilimi gibi pek çok farklı disiplinde daha iyi simülasyon, optimizasyon ve makine öğrenmesi yöntemlerinin geliştirilmesinde.

Teknolojinin Mevcut Durumu

Günümüzde farklı donanım teknolojileri geliştiriliyor. Özellikle süperiletken kübit ve iyon tuzaklama yöntemleri diğerlerine kıyasla daha ileri bir seviyeye ulaşmış durumda. Öte taraftan diğer yöntemler de ilerde bu seviyeye ulaşabilir veya gelecekte bir rol oynayabilir. Altyapısal gerekliliklerin fazla olmasından dolayı kullanıcılar kuantum bilgisayarlara bulut üzerinden erişebilecekler. 

Kuantum bilgisayarları kübit, kontrol elektroniği, hata düzeltme kodu, derleyici, kuantum algoritması gibi farklı katmanlardan oluşur. Birçok kuantum hesaplama platformu çalışabilmesi için kriyojenik sıcaklık, yüksek vakum ve diğer çevresel faktörlerden izole ortamlara ihtiyaç duyar. Donanım platformunun böylesine özel koşullara ihtiyaç duyması sebebiyle kullanıcılar muhtemelen bir kuantum bilgisayar satın almaktan ziyade bunu bir servis olarak satın alacaklar.

Resim 4. [5]: Kuantum bilgisayarının farklı katmanları

Farklı donanım platformlarına rağmen kuantum bilgisayar geliştirebilmek için aşağıdaki 4 temel özellik her durumda gereklidir:

1.  Sistem iyi karakterize edilmiş kübitlere sahip olmak zorundadır.
2. Kübitler başlatılabilmeli, evrensel olarak kontrol edilebilmeli ve ölçüm yapılabilmelidir.
3. Kübitlerin fiziksel yapısından kaynaklı hatalar düzeltilebilmelidir.
4. Yukarıdaki 3 maddenin tamamını kübit sayısı arttığında da yapabilmeli. (Gerçek hayat uygulamaları için yaklaşık 1 milyon veya daha fazla kübit gerekebilir.)

Hangi kuantum bilgisayarın daha üstün olduğunu anlamak için kıyaslayabileceğimiz 3 seçenek mevcut: Ölçek, Hız ve Kalite.

Ölçek: Birbiriyle bağlantılı ve evrensel kontrolün yapılabildiği en fazla kübit sayıları farklı platformlar için 2022 Eylül ayı itibariyle aşağıdaki gibidir:

Süperiletken kübit: 102*

İyon Tuzaklama: 24

Nötral Atomlar: 24

Fotonik Simulator: 14

NV Merkezleri: 9

Spin Sistemleri: 6

Hız: Tutarlı oldukları zaman diliminde uygulanabilecek kapı sayıları:

Süperiletken kübit: 1000

İyon Tuzaklama: 100

Nötral Atomlar: 1

[*] Kasım ayında daha fazla kübite sahip yeni versiyon tanıtılmıştır. Bkz [6], [7].

Kalite: 2 Kübitlik kapılarda hata oranları:

Süperiletken kübit: % 0.1

İyon Tuzaklama: % 0.1

Spin Sistemleri: % 1

NV Merkezleri: % 1.5

Nötral Atomlar: % 2.5

Fotonik Simulator: %10

Günümüzde kuantum uygulamaları ikiye ayrılabilir. Birincisi hata toleransı yüksek uygulamalar. Bu uygulamalar daha gelişmiş kuantum bilgisayarlarına ihtiyaç duyuyor. İkincisi yakın zaman uygulamaları. Yani bugünkü mevcut gürültülü kuantum bilgisayarlarında koşulan uygulamalar. Bu uygulamaların klasik bilgisayarlara kıyasla avantajlı olup olmadığı henüz net olmasa da araştırmacılar ve bazı firmalar kuantum bilgisayarlarının potansiyelini değerlendirmek için yakın zaman uygulamalarını test ediyor.

Teknolojinin Potansiyelini Açığa Çıkarmak

Kuantum bilgisayarlarının gerçek hayat problemlerine uygulanabilmesi için aşağıdaki 3 kriter gereklidir:

1. İşgücü Uygunluğu ve Gelişmişliği

Global bir perspektifte her kıta kuantum teknolojilerinde start-up lara sahip ve bu sayı artmaya devam ediyor. Bu firma patlaması önümüzdeki 20 yıl içinde kuantum teknolojilerinde üstel iş artışlarına sebep olabilir. Kuantum firmalarının yarıdan fazlası şu anda işe alım yapıyor ve bu firmalar kuantum iş piyasasında açılan yeni pozisyonlar için doğru yetenekleri bulmada zorlanıyor. Kuantum teknolojileri henüz emekleme aşamasında olduğundan mevcut işler çoğunlukla teknik, özellikle akademik uzmanlık ve doktora gerektirebilir. Geçen yıl içinde pazarlama ve satış konusunda daha önceden iş tecrübesi olan insanların bu sektörde görünmesi pazarın olgunlaştığını gösteriyor. Kuantum işgücü geniş bir aralıkta kuantum fizikçileri, bilgisayar bilimcileri, mühendisler, teknisyenler, iş insanları, satış ve politika altyapılı nitelikli çalışanları içeriyor. Uzun vadede geleceğin işgücünü eğitmek uzun bir süreç olsa da kuantum mühendisliğine odaklanan farklı yüksek eğitim programları halihazırda mevcut.

2. Politika ve Düzenlemeler

Şu an, 2022 yılı kuantum hesaplama ile ilgili politika geliştirmek için ideal zaman dilimi. Çünkü teknolojinin neler yapabileceği ve hangi sektörlerde ne gibi etkilerin beklendiği giderek netleşiyor. Mevcut uygulamalar henüz kısıtlı olduğundan yapılacak düzenlemeler proaktif bir yapıya sahip olacak.

Günümüzde kuantum hesaplama ve onun enerji tüketimi ile ilgili bir yasa yok. Klasik bilgisayarlar günümüzde elektriğin %4’ünü tüketiyor ve karbon salınımının %1.4’ünü oluşturuyor [1]. Ayrıca karbon salınımını tersine çevirmekte zorlanıyor. Bu durumdan ders çıkarılmalı ve teknolojinin gelişim sürecinde çevresel teknoloji seçimleri yapılmalı.

3. Performans Ölçümleri ve Algoritma Geliştirilmesinde Standartlaşma

Belirli bir seviyede standardizasyon, iletişim için terminolojinin gelişmesinde, kuantum donanım ve algoritmalarının bazı metriklere göre yorumlanmasında, kuantum algoritma, yazılım, yazılım dilinin geliştirilmesinde, belgeleme ve test protokollerinin geliştirilmesinde etkili olabilir.

Standartlar, gelişen pazarlar için temel öneme sahiptir. Öte taraftan standardizasyon alanları dikkatlice seçilmeli çünkü bu teknolojinin birçok yanı standart geliştirmek için henüz çok erken.

Sonuç:

Uzun vadede hangi donanımın kuantum bilgisayar oluşturmak için kullanılacağı, kuantum bilgisayarının ne zaman hazır olacağı henüz belli olmasa da kuantum bilgisayarlarının gelecekte var olacağından şüphe yok. Kamu yatırımları ve özel yatırımlar da kuantum teknolojilerinin laboratuvardan gerçek hayata geçmeye başladığını gösteriyor.

1- Kuantum bilgisayarlar klasik bilgisayarlardan üstün konuma geldiğinde muhtemelen düşük arz sağlanabilecek. Kuantum bilgisayarlarının çığır açıcı potansiyeli düşünüldüğünde kimse rekabet ettiği firmanın birden normalde yıllar sürmesi beklenen (potansiyel ilaç tasarımı, kimyasal geliştirilmesi, optimizasyonu, vb) süreçleri günler içinde tamamlamasını istemez. Bu sebeple bir kuantum hesaplama firmasına yatırım yapmak veya partnerlik kurma yoluyla bu teknoloji hazır olduğunda öncelikli erişime (veya bu teknolojinin satış haklarına) sahip olabilir.

2- Kuantum hesaplama geliştiricileri teknolojinin evrimi için iş ortaklarına ihtiyaç duyuyor. Kuantum fiziğinde uzman olabilirler ama modern endüstrilerde değiller. Bu noktada firmalar devreye girerek erken erişim ile bu teknolojinin kendi sektörlerindeki potansiyel etkilerini keşfedebilir, en etkili kullanım alanlarını bulabilir ve teknolojinin gelişimine ve anlaşılmasına katkı sağlayabilirler. Bulut erişimi lokasyona bağlı kalmadan iş ortaklıkların oluşturulmasına imkan sağlıyor.

3- Bu teknolojinin vaat ettikleri bazı organizasyonları ikna edemiyorsa veya bu teknolojiden daha az etkilenmesi beklenen sektörlerden birinde olsanız dahi siber güvenlik konusunda endişe etmelisiniz.

İşgücünün eğitimi, araştırma programları, performans standartları, yeni yasal düzenlemeler için daha fazla kamu/özel işbirliği gerekli. Bu sayede kuantum teknolojilerinin güvenli ve etik bir biçimde gelişimi sağlanabilir.

İş dünyasının kuantum bilgisayarının kendi sektörlerindeki etkilerini anlaması ve formüle etmesi gerekiyor. En hareketli kuantum ekosistemine sahip ülkelerden biri olan Birleşik Krallık’ta bile 2022 Mart ayında yapılan bir araştırmaya göre firmaların sadece %24’ü potansiyel kuantum bilgisayar uygulamaları için bir takım oluşturmuş. Öte taraftan firmaların %44’ü yakın zamanda bunu yapmayı planlıyor. Bu da kuantum bilgisayarlarının etkilerini anlamanın iş ve teknoloji stratejilerinde önemli bir yere sahip olduğunu gösteriyor.

Daha fazla insanın kuantum teknolojilerinde yaratıcılığı kullanması ve işbirliği ile insanlık inovasyon ve büyümenin altın çağına erişebilir, iklim değişikliğiyle mücadele etme şansı elde edebilir.

Hazırlayan: Hüseyin Bahadır Yay
Redaktör: Muammer Ceylan

Kaynaklar

 [1] “State of Quantum Computing: Building a Quantum Economy.” [Online]. Available: https://www3.weforum.org/docs/WEF_State_of_Quantum_Computing_2022.pdf

[2]“IBM – Image Gallery,” IBM Newsroom. https://newsroom.ibm.com/media-quantum-innovation?keywords=quantum&l=100‌

[3] “Quantum Technology Monitor,” 2022. [Online]. Available: https://www.mckinsey.com/~/media/mckinsey/business%20functions/mckinsey%20digital/our%20insights/quantum%20computing%20funding%20remains%20strong%20but%20talent%20gap%20raises%20concern/Quantum-Technology-Monitor.pdf

[4] Temkin, 2021, Honeywell, 2021, Dünya Ekonomik Forumu analizi.

[5] Gambetta, J.M., Chow, J.M. & Steffen, M. Building logical qubits in a superconducting quantum computing system. npj Quantum Inf 3, 2 (2017). https://doi.org/10.1038/s41534-016-0004-0

[6] E. E. Uğurcuklu, “IBM 433 Kübitlik İşlemcisi | QTurkey.” https://kuantumturkiye.org/ibm-433-kubitlik-islemcisi/

[7] “IBM Unveils 400 Qubit-Plus Quantum Processor and Next-Generation IBM Quantum System Two,” IBM Newsroom. https://newsroom.ibm.com/2022-11-09-IBM-Unveils-400-Qubit-Plus-Quantum-Processor-and-Next-Generation-IBM-Quantum-System-Two