Kuantum Tavlamada Yeni Buluş: Klasik Hesaplamadan Daha Hızlı ve Tutarlı Dinamikler Gösteriyor
D-Wave Quantum Inc. kuantum hesaplamada büyük bir atılım daha gerçekleştirdi. 19 Nisan 2023’te yayınlanan hakemli bir çalışmada bugüne kadarki en büyük programlanabilir kuantum simülasyonunu bildirdi. D-Wave Advantage kuantum bilgisayarında 5.000’den fazla kübit kullanıldı ve programlanabilir bir 3D spin camında (spin glass) tutarlı kuantum dinamiklerinin klasik dinamiklerden daha hızlı oluşunun ilk kanıtı sergilendi; bu, çözülmesi çok zor bir optimizasyon problemi olarak bilinir.
Bu dönüm noktası, kuantum hesaplama için ileriye doğru atılmış önemli bir adımdır ve kuantum teknolojilerinin finans, sağlık ve ulaşım gibi sektörlerde devrim yaratma potansiyelini göstermektedir. Çalışma, D-Wave’in hem tavlama (annealing) hem de kapı modeli (gate-model) kuantum bilgisayarları oluşturmaya yönelik benzersiz yaklaşımını sergiliyor ve şirketi hızla gelişen kuantum bilgisayar endüstrisinde bir lider olarak konumlandırıyor.
D-Wave ve Boston Üniversitesi bilim adamları arasındaki iş birliği ile yazılan “Quantum critical dynamics in a 5,000-qubit programmable spin glass“ başlıklı makale, hakemli dergi Nature’da yayınlandı.
D-Wave’in Kuantum İşlemcisi, Ticari Sınıf Tavlama Tabanlı Kuantum Bilgisayarı Kullanarak Büyük Ölçekli Optimizasyon Problemlerinde Tutarlı Kuantum Dinamiği Gösteriyor
Geçen yıl Eylül ayında yaklaşık 2.000 kübit ile gerçekleştirilen önceki bir araştırmaya dayanan çalışma, D-Wave’in kuantum işlemcisinin büyük ölçekli optimizasyon problemlerinde tutarlı kuantum dinamiklerini doğru bir şekilde hesaplayabildiğini gösteriyor. Bu çalışma ise, D-Wave’in şu anda müşterilerin kullanımına açık olan ticari sınıf tavlama tabanlı (commercial-grade annealing) kuantum bilgisayarı kullanılarak yürütülmüştür.
Çeşitli kuantum bilgisayar modelleri şu anda geliştirilme aşamasında, yine de bu sonuç D-Wave’in tavlama tabanlı kuantum hesaplama sisteminin karmaşık optimizasyon problemlerini verimli bir şekilde çözme konusundaki benzersiz yeteneklerini vurgulamaktadır.
“Bu araştırma, kuantum teknolojisi için önemli bir başarıya işaret ediyor. Çünkü zor bir optimizasyon problemi için klasik yaklaşımlara göre hesaplama avantajını ortaya seriyor. Kuantum tavlamanın rakipsiz performansına dair kanıt arayanlar için bu çalışma kesin kanıt sunuyor.” Dr. Alan Baratz, D-Wave’in CEO’su.
Araştırma, kuantum tavlamanın, termal faz geçişi yerine kuantum faz geçişinden faydalanarak klasik tavlama tabanlı algoritmalardan daha hızlı bir şekilde çözüm kalitesini artırabileceğini gösterdiğinden, optimizasyon için doğrudan çıkarımlara sahiptir. Kuantum tavlama tarafından üretilen düşük enerjili durumlar, optimizasyon problemleri için düşük maliyetli çözümlere karşılık gelir ve gözlemlenen hızlanma, kuantum tavlama teorisi ile tutarlıdır.
Ayrıca çalışma, tutarlılık (coherence) ile kuantum tavlamanın (quantum annealing) temel hesaplama gücü arasında doğrudan bir ilişki kuruyor. Bu da, D-Wave’in pratikte karşılaşılan optimizasyon problemlerinin çözümünde daha iyi performans elde etmek için tutarlılığı iyileştirme çabalarını doğrulamaktadır.
Bu çalışma, geleceğin tavlama ve kapı modeli kuantum bilgisayarlarını geliştirmeye çalışan D-Wave’in bilimsel ilerlemeye ve gelişmiş ürünler sağlamaya yönelik taahhüdünü pekiştiriyor.
Sektörün Önde Gelen İsimleri ve Makalenin Yazarları Desteklerini Yansıtıyor
“Bu, kuantum tavlayıcılardaki kuantum faz geçişlerinin anlaşılmasında önemli bir ilerlemedir. Deneysel çok-cisim fiziğinde (many-body physics) bir devrimin habercisidir ve pratik uygulamalar için iyiye işarettir. Halihazırda kuantum kritik dinamiği için deneysel olarak fayda sağlayan bu donanım, optimizasyon problemlerinin çözümünde yardımcı olan düşük enerji durumlarını aramak için de kullanılabilir.” Wojciech Zurek, Los Alamos Ulusal Laboratuvarı’nda teorik fizikçi ve kuantum teorisi konusunda önde gelen isimlerinden
“Spin camları gibi düzensiz mıknatıslar, karmaşık optimizasyon problemlerinin çözümlerini test etmek için uzun süredir kullanılıyor. Bu çalışma, bir spin camının en düşük enerji durumunu bulmak için, özel olarak gelişirilmiş bir kuantum donanımının kuantum dinamiklerinin bilinen klasik algoritmalardan daha hızlı olduğunu gösteriyor. Bu nedenle, pratik problemlerle başa çıkabilmek için kuantum tavlayıcıların geliştirilmeye devam edilmesinin gerekliliğini ortaya koyuyor.” ETH Zürih ve EPF Lozan’da fizik profesörü ve Paul Scherrer Enstitüsü’nün Foton Bilimi Bölümü başkanı Gabriel Aeppli
“Kariyerini kuantum sistemlerinin bilgisayar simülasyonları üzerine kuran bir fizikçi olarak, kuantum tavlama cihazlarının dönüştürücü yeteneklerini ilk elden deneyimlemek inanılmazdı. Bu makale zaten herhangi bir klasik simülasyon yönteminin ötesinde bir ölçekte karmaşık kuantum dinamiklerini gösteriyor ve gelecekteki cihazların beklenen gelişmiş performansı beni çok heyecanlandırıyor. Artık kuantum tavlamanın karmaşık sistemler üzerinde araştırma yapmak için temel bir araç haline geldiği bir döneme girdiğimize inanıyorum.” Boston Üniversitesi Fizik Profesörü ve makalenin ortak yazarlarından Anders Sandvik
Gelişme Hakkında Sektörden Daha Fazla Yorumlar
“Bu, kuantum optimizasyonda şimdiye kadar gerçekleştirilen en önemli deneysel çalışmalardan birini temsil ediyor. Artık, kuantum tavlama kullanılarak kuantum simülasyonları ile yeni fiziksel fenomenlerin ortaya çıkarılmasını ve nihayetinde önemli toplumsal değere sahip malzemelerin tasarımına yol açmasını bekleyebiliriz.” Hidetoshi Nishimori, Profesör, Yenilikçi Araştırma Enstitüsü, Tokyo Teknoloji Enstitüsü
“Bu, kuantum optimizasyonda şimdiye kadar gerçekleştirilen en önemli deneysel çalışmalardan bazılarını temsil ediyor. Büyük ölçekli problemler için yüksek kaliteli çözümler sağlayarak, teori ile uyumlu bir şekilde simüle edilmiş tavlamaya göre bir hızlanma gösterdik. Bu çalışma daha da karmaşık problemleri çözmeye olanak sağlayacağına inandığımız optimizasyonda kuantum dinamiklerini gösteriyor. Çalışma, 25 yıl önce kuantum tavlamayı motive eden laboratuvar deneylerini programlanabilir bir şekilde gerçekleştiriyor.” Dr. Andrew King, D-Wave’de Performans Araştırması Direktörü
“Tutarlı kuantum dinamiklerinin kuantum tavlamada daha iyi çözümlerin elde edilmesine olanak sağlaması, bugüne kadarki kuantum simülasyonunun en büyük gösterimi olmakla kalmıyor, aynı zamanda teori tarafından desteklenen ilk deneysel kanıt; kuantum tavlamada daha iyi çözümlerin elde edilmesi. Gözlemlenen hızlanma, klasik tavlama algoritmaları tarafından kopyalanamayan kuantum faz geçişi sırasındaki karmaşık kritik dinamiklere bağlanabilir ve teori ile deney arasındaki uyum oldukça dikkat çekici. Bu bulguların, gerçek hayatta karşılaşılan problemleri ele alan işlevsel uygulamalarla kuantum optimizasyonu için önemli etkileri olduğuna inanıyoruz.” Mohammad Amin, Kuantum Algoritmaları ve Sistemleri, D-Wave
Yıllar içinde, D-Wave beş nesil kuantum bilgisayarı tanıttı ve Haziran 2022’de altıncı nesil cihazı olan Advantage2 sisteminin bir ön modelini piyasaya sürdü. Tamamlanan Advantage2 sistemi, daha da önemli ve karmaşık sorunların üstesinden gelmek için 7.000’den fazla kübite, 20 yollu bağlantıya ve gelişmiş tutarlılığa sahip olacak.
Çevirmen: Emine Elif Pekduru
Redaktör: Hüseyin Türker
Kuantum bilgisayar teknolojilerindeki son gelişmeleri buradan göz atabilirsiniz.
Kaynak:
Ekler:
3D spin camı (Wikipedia)
Yoğun madde fiziğinde, bir döner cam, ‘donma sıcaklığı’ Tf adı verilen bir sıcaklıkta dönüşlerin donmasında işbirlikçi davranışın yanı sıra rastgelelik ile karakterize edilen manyetik bir durumdur. Ferromanyetik katılarda, bileşen atomlarının manyetik dönüşlerinin tümü aynı yönde hizalanır. Döndürme camı, bir ferromanyet ile karşılaştırıldığında, döndürmelerin rastgele veya düzenli bir model olmadan hizalandığı ve bağlantıların da rastgele olduğu “düzensiz” bir manyetik durum olarak tanımlanır.
Rastgele dönüş yapısının şematik gösterimi
Döndürme camının (üstte) ve bir ferromanyetin sıralı yapısının (altta)
Çok cisim fiziği, etkileşen kuantum parçacıkları topluluklarının davranışını inceler. Bu, neredeyse tüm yoğun madde fiziğini, aynı zamanda nükleer ve yüksek enerji fiziğini kapsayan geniş bir alandır.
