Ev Şartlarında Bir Quantum Bilgisayar Yapmak

⏳ Estimated Reading Time: 10 min

Kuantum bilgisayarları, teknolojinin en heyecan verici ve hızlı gelişen alanlarından biri haline geldi. Ancak, bu alanda bir adım atmak ve kendi kuantum sisteminizi kurmak düşündüğünüz kadar uzak değil. İşte, basit bir DIY kuantum bilgisayar sistemi kurarak, bu alandaki ilk adımlarınızı nasıl atabileceğinize dair bazı bilgiler.

Qiskit, Q# gibi açık kaynaklı framework'ler, kuantum bilgisayarlarını bulut üzerinden programlamanızı ve sonuçları simüle etmenizi sağlar. Eğer siz de bunları denemiş ve kuantum bilgisayarlarına aşina bir girişimciyseniz, kendinizin de kuantum bilgisayarlarıyla ilgili somut bir çalışmanızın olmasını istiyorsanız, kendi kuantum bilgisayarınızı programlamaya ne dersiniz?

Teknik olarak, evinizde tam işlevli bir kuantum bilgisayar inşa etmeniz mümkün değildir. (Milyonlarca dolarınız, fabrika ve araştırma tesislerine erişiminiz ve çok fazla zamanınız yoksa) Ancak, yeterli bir bütçe, boş zaman ve belki de optik ve elektronik üzerine bazı derslerle, basit bir DIY (kendin yap) kuantum sistemi kurabilir ve birkaç kuantum kapısını çalıştıracak şekilde programlayabilirsiniz. Küçük bir çaba ile cihazınızı kontrol etmek için Qiskit'i bile kullanabilirsiniz. Öyleyse başlayalım.

Kuantum Bilgisayar Nedir?

Elbette, bir kuantum bilgisayar kurmaya çalışmadan önce ne olduğunu anlamak önemlidir. Kuantum bilgisayarlar, verileri kuantum mekaniğinin özellikleriyle temsil eden ve işleyen sistemlerdir. Bunu en basit şekilde anlatmaya çalışacağım. Günümüz klasik bilgisayarları, 1 ve 0'dan oluşan bitlerle çalışırken, kuantum bilgisayarlarda "Qbit" adı verilen birimler bulunur. Bir Qbit, hem 1 hem de 0 olabilen bir kuantum durumuna sahip olabilir. Bu duruma süperpozisyon denir. Ayrıca, birden fazla Qbit'in birbirine bağlı ve birbirinin durumundan etkilenmesi, dolanıklılık (entanglement) olarak bilinir.

Fizikçi David DiVincenzo, bir yapının "kuantum bilgisayar" olarak kabul edilebilmesi için karşılaması gereken beş kriterden oluşan bir liste önerdi. Bu kriterler şunlardır:

1. Kontrol edilebilirlik: Qbitler, kuantum durumları kontrol edilebilir şekilde olmalıdır.
2. Ölçeklenebilirlik: Sistem, daha fazla kübit eklenerek genişletilebilir olmalıdır.
3. Kuantum durumunun korunması: Kuantum bilgisayarın durumları, yeterince uzun süre bozulmadan korunabilmelidir. Bu süreklilik, kuantum bilgisayarlar için kritik bir özelliktir.
4. Evrensel mantıksal kapılar: Kuantum bilgisayarlarda, her türlü kuantum algoritmasını çalıştırabilmek için evrensel bir işlem kümesi olan mantıksal kapılar uygulanabilir olmalıdır.
5. Kübitlerin inşa edilebilir ve ölçülebilir olması: Qbitler, işlevsel olarak inşa edilebilir ve ölçülebilir olmalıdır.

Onlarca yıllık araştırma ve yüksek maliyetlerle, araştırmacılar bu kriterlere tam uyan cihazları üretmeye henüz yeni başlamaktadır.
Kuantum bilgisayarların araştırmacılar için ortaya çıkardığı zorluklar göz önüne alındığında, DiVincenzo kriterlerine uyan ev yapımı bir kuantum bilgisayarın basitçe bir araya getirilemeyeceğini söylemek yanıltıcı olmayacaktır. Ancak, tam anlamıyla kusursuz bir kuantum sistemi tasarlayamasak da, mevcut kaynakları kullanarak kendi başımıza, kontrol edebileceğimiz, manipüle edebileceğimiz ve ölçebileceğimiz basit kuantum sistemleri tasarlayabiliriz. Öyleyse, bu yolculuğa başlamak için gereken adımları atmaya başlayalım.

Fotonlardan ve Optik Bileşenlerden Qubit'ler Oluşturalım

Gerçek bir fotonik kuantum hesaplama laboratuvarında kullanılan optik bir setup (Resim: Ben Burridge, Quantum Engineering CDT, University of Bristol)

Günümüzde, akademik kurumlardaki, ulusal laboratuvarlardaki ve şirketlerdeki fizikçiler, fotonların (ışık parçacıkları) kuantum hesaplama için kullanılmasına yönelik araştırmalar yapmaktadırlar. Fotonik kuantum hesaplama, optik bileşenlerin temin edilmesinin nispeten kolay olması nedeniyle, kendi başınıza deneme-yanılma yoluyla deneyler yapabileceğiniz bir kuantum sistemidir.

Bir fotonik kuantum bilgisayarı inşa etmek için, tutarlı ve kontrol edilebilir fotonlar üreten bir ışık kaynağına ihtiyaç vardır. Bunun için lazerler veya daha pahalı bir alternatif olarak tek foton yayıcıları kullanılabilir. Kuantum bilgilerini depolamak için iki temel yol vardır:

1. Fotonların polarizasyon durumları,
2. Bir fotonun iki optik fiberden hangisinden geçtiği bilgisi.

Bu sistemlerin yanı sıra, fotonları yönlendirebilen ve mantıksal kapılar (AND, OR, vb.) uygulayabilen optik bileşenlere de ihtiyaç vardır. Bu bileşenler şunlardır:

• Işın ayırıcılar: Fotonları iki farklı yoldan birine yönlendiren cihazlar,
• Faz kaydırıcılar: Fotonların fazını değiştiren cihazlar.

Fotonik kuantum bilgisayarlar, bu optik bileşenlerin ve doğru kontrol edilen fotonların bir araya getirilmesiyle çalışır ve kuantum hesaplama için büyük bir potansiyel taşır.

Son olarak, fotonun son durumunu belirlemek için bir kamera veya dedektör kullanmamız gerekecek. Bu cihaz, fotonun hangi kuantum durumunda olduğunu ölçmek için kritik öneme sahiptir. Fotonların doğası gereği, onları doğrudan gözlemlemek, sistemin kuantum durumunu bozabileceğinden, bu ölçüm dikkatle yapılmalıdır. Bu dedektörler, fotonları ölçmek ve kaydetmek için önemli bir araçtır ve fotonik kuantum bilgisayarların işleyişi için gereklidir.

Yukarıdaki bileşenler kullanılarak oluşturulan foton tabanlı kuantum bilgisayarların bir adı vardır: Emanuel Knill, Raymond Laflamme ve Gerard James Milburn'ün adını taşıyan KLM protokolü. Bu protokol, 2001 yılında yayınlanmış olup, optik kuantum hesaplama için önemli bir teorik çerçeve sunar. KLM protokolü, kuantum hesaplama alanında fotonları kullanarak mantıksal kapılar (örneğin, entanglement ve süperpozisyon uygulamaları) gerçekleştirilmesini sağlar. Bu protokol, optik bileşenler kullanılarak kuantum bilgisi işlenmesini mümkün kılmakta ve fotonik kuantum hesaplama alanındaki araştırmalar için temel bir yapı taşını oluşturuyor.

KLM protokolü, günümüzde fotonik kuantum hesaplama mimarilerinin geliştirilmesinde hala etkili bir yöntemdir. Protokolün geliştirilmesi, fotonik kuantum hesaplama sistemlerinin uygulanabilirliğini artıran önemli bir adım olmuş ve kuantum bilgisayarların daha pratik hale gelmesini sağlamıştır. Bu protokol, şu anda geliştirilmekte olan bir dizi optik kuantum hesaplama mimarisinden sadece birisidir ve kuantum bilgisayarların potansiyelini daha da genişletmeyi hedeflemektedir.

Bu cihazı oluşturmaya nasıl devam edeceğiniz, kübitler üzerinde ne kadar kontrol sahibi olmayı umduğunuza bağlıdır. Optik bir düzenek kurmak, önceden oluşturulmuş Mach-Zehnder interferometresi gibi son teknoloji optik bileşenler, tek foton yayıcılar ve hassas dedektörler satın alarak bir kuantum denetleyicisi inşa edebilirsiniz. Alternatif olarak, daha düşük bütçeyle "kendin yap" (DIY) yaklaşımını tercih edebilirsiniz. Kuantum hesaplama alanında önemli katkılar yapmış ve kuantum meraklılarına çözümler sunan isimlerden biri olan Spooky Manufacturing'in kurucusu Noah Wood, darbeli bir lazer diyodu kullanarak, fotonları ayıran bir ışın ayırıcıyla KLM tipi bir kuantum bilgisayarını nasıl inşa ettiğini ayrıntılarıyla buradaki sayfada anlatıyor. Bu ev yapımı cihazın detaylarını ise ikinci yazımda daha kapsamlı bir şekilde aktaracağım.

Riverlane'da bulunan Quantum Software şirketi'nde Araştırma Yazılım Geliştiricisi olan Alex Moylett:

 Bu tür cihazlarda karşılaşılan zorluğun fotonları bir süperpozisyona yerleştirmek olmadığını, asıl zorluğun, fotonlar birbirleriyle etkileşime girmediği için dolanıklığı (entanglement) üretmek olduğunu

belirtiyor. Bilgisayar, fotonları bir dizi optik fiber boyunca yönlendirerek ve faz kaymaları uygulayarak dolanıklık oluşturur. Ardından, gözlemci, son olarak seçim şemalarını uygulamak zorundadır. Bu şemaları uygulayan gözlemcinin yaptığı işlemler şunlardır:

• Dolanıklığın meydana gelmediği herhangi bir hesaplama sonucunu atmak,
• Başarılı bir dolanıklık sonucu elde edene kadar mantıksal kapıları yeniden uygulamak.

Ancak, optik bileşenlerin dışında başka yöntemlerle kuantumları gözlemlemeyi tercih ediyorsanız, belki de başka bir parçacığın kuantum özelliklerini kontrol etmek ve değiştirmek isteyebilirsiniz. Örneğin, bir elektronun dönüşünü (spin) kontrol etmek gibi.

Qubit'leri Nükleer Manyetik Rezonans ile Geleneksel Yöntemle Oluşturmak

Ev yapımı bir NMR cihazı (Resim: Abe Asfaw)

Nükleer Manyetik Rezonans (NMR), MRI makineleriyle aynı prensibe sahip bir kuantum hesaplama mimarisidir. NMR cihazları, günümüzün süper iletken ve tuzaklanmış iyon kuantum bilgisayarları kadar gelişmiş olmasa da, bilim insanları hâlâ modern kuantum cihazlarında NMR kuantum hesaplamalarından öğrenilen teknikleri kullanmaktadırlar.

NMR kuantum bilgisayarları, güçlü ve sabit bir manyetik alan içinde tutulan, radyo frekansı darbeleriyle bozulan ve genellikle sıvılardan oluşan bir ortamda çalışır. Bu bilgisayarlar, bilgiyi bir maddenin manyetik momentinin temel birimi olan "spin durumları" adı verilen atom çekirdeğinin doğuştan gelen kuantum özelliğine kodlar. Hidrojen atomları ve karbon-13 gibi bazı atomik izotoplar, genellikle "yukarı" ve "aşağı" olarak adlandırılan iki spin durumuna sahip olan kübitler olarak kullanılır. RF darbeleri, bu kübitlerin durumlarını değiştirebilir veya durumlarının çekirdekler arasında dolanmasına neden olabilir.

Ancak, bireysel kübitleri kontrol ettiğiniz diğer kuantum hesaplama mimarilerinin aksine, NMR, kullanıcının aynı anda çok sayıda molekül topluluğu üzerinde denetime sahip olmasını gerektirir. Bu, tek kübitlik ölçümler almak yerine, bir hesaplamanın ortamda bulunan her molekülün davranışının ortalamasını verdiği anlamına gelir. Yani, her molekül küçük bir kuantum işlemci gibi çalışır. Bu toplu ölçümler, NMR kuantum bilgisayarlarının ölçümlerinin daha gürültülü (noisy) olmasına ve ölçeklenebilirliklerinin sınırlı olmasına yol açar.

Ancak, amacımız büyük bir kuantum bilgisayar inşa etmek değil, evimizdeki kuantum durumlarını kontrol etmek ve ölçmektir. Bu yüzden beklentimiz, nispeten daha basit olmalıdır.

Bir NMR kuantum bilgisayarı oluşturmanın temel adımlarından biri, moleküllerden aldığınız sinyali maksimize etmek için güçlü bir elektromıknatıs kullanmaktır. Bu tarz bir mıknatısı, nispeten basit bir şekilde inşa edebilirsiniz. Bir LC devresine bağlı bir solenoidi, cihazı uygun frekansa ayarlamak ve çekirdeklerin darbelere tepkisini okumak için kullanacağız. Darbeleri özelleştirebilmek için RF sinyal üreticisi ve bir FPGA’ya ihtiyaç duyulacaktır.

Denemek için çeşitli ortamlar kullanabilirsiniz; etanol, aseton, gliserin, karbon-13 ile zenginleştirilmiş kloroform veya sadece suda yüzen hidrojen atomları bunlar arasında yer alabilir. Bu durumda yalnızca bir kübitiniz olsa da, bu tür malzemelerle çalışmalar yapabilirsiniz. Cihazı oluşturmak için harcayacağınız gider, mıknatısın ve kullanmayı planladığınız elektronik donanımın kalitesine bağlıdır. Ancak, temel bilgileri bir araya getirmek için pek çok öğretici mevcuttur. Bunlardan birisini buradaki linkte bulabilirsiniz. Ayrıca, darbeli bir NMR cihazı satın alıp parçalarına ayırarak kendi NMR tabanlı kuantum bilgisayarınızı da inşa edebilirsiniz. Detaylar için sonraki yazılarımda paylaşacağım.

Medyada sıkça karşılaştığımız ve şirketlerin inşa etmek için birbirleriyle yarıştığı gelişmiş kuantum bilgisayarlar hakkında konuşalım. Bu tür cihazları yapma olasılığı nedir, birlikte tartışalım.

Günümüzde en gelişmiş iki kuantum mimarisi, süper iletken kuantum bilgisayarlar ve tuzağa düşürülmüş (trapped) iyon kuantum bilgisayarlarıdır. Süper iletken kübitler, çok sayıda özel bileşen ve seyreltme buzdolabına ihtiyaç duydukları için, hobi seviyesindeki bir çalışma ile inşa edilebilecek cihazlar değillerdir. Kendi şartlarımızla bunları gerçekleştirmek zordur. Ancak, girişimci Yann Allain'in tuzağa düşürülmüş iyon kuantum bilgisayarlarını %99 indirimle inşa etmek için bir girişim başlattığını belirtmekte fayda var. 

İlgili video:

İyonlar, oldukça basit bir kuantum sistemidir. Temel ve uyarılmış durumlar gibi elektronik durumlar, kübit olarak kullanılabilirler. Paul tuzağı adı verilen bir sistem, radyo frekansı alanları üreten AC ve DC elektrotları kullanarak iyonları sınırlayabilir. Lazerler, iyonları soğutmaktan, kaynak parçacıkları iyonlaştırmaktan ve iyonların durumlarını okumaktan sorumludur. Mikrodalga kaynakları veya lazerler, iyonları kontrol etmek için çeşitli darbeler gönderir. Bunun yanı sıra, tüm bu süreçlerin paraziti (noise) azaltabilmek amacıyla vakum ortamında gerçekleşmesi gerekmektedir. Bu yüzden vakum pompaları kullanılır.

Bu tür bir sistemin inşa edilmesindeki en büyük zorluk, güçlü bir vakum ortamı oluşturamamak, mikrodalga veya lazer kontrol kurulumlarını kuramamak ve iyonları yakalamak için Paul tuzağını yapamamaktır. Küçük parçacıkları yakalamaya başlamak, bu süreçte ilk adım olabilir. Yann Allain, Paul tuzağını bir Kickad tasarımı ve CNC (bilgisayar sayısal kontrolü) makinesi kullanarak 2D tuzağını seramik bir yongaya kazıyarak inşa etti. Konuşmalarında, lazer kontrol sistemini sıfırdan yapmaya çalıştığını ve 25.000 Euro'ya satın almak yerine yaklaşık 2.000 Euro'ya mal ettiğini belirtiyor.

Geçmişte bir iyon tuzağı kuantum bilgisayarının tasarım aşamasında kalırken, Kaliforniya Üniversitesi doktora sonrası araştırmacısı Sara Mouradian, düşük maliyetli cihazların yapılabileceğine dair bazı argümanlar yayımlayarak birkaç geçidi çok daha düşük bir fiyata gerçekleştirmeyi başardı.

Eğer daha da ileriye gitmek istiyorsanız, yurtdışındaki iyi bir üniversitede yüksek lisans yapmanız bu alanda sizi ileriye taşıyabilir.

  Cihazımızı Nasıl Kontrol Edebiliriz - Nasıl Kodlarız?

Bir kuantum cihazı - belki de evinizde yapacağınız yapımı kuantum cihazınızın arayüzünü gösterecek olan bir şekil! - ve OpenPulse. (Resim: McKay ve diğerleri, arxiv: 1809.03452 (2018))

Yukarıda bahsedilen yöntemlerden birini kullanarak bir kuantum bilgisayar yaptığınızı varsayalım. Ancak, hayal ettiğinizin aksine, bu bilgisayar, günümüz bilgisayarları gibi tuşlarla kontrol edilip, doğrudan programlanabilen bir cihaz olmayacaktır. Yine de bazı şirketler, kuantum cihazlarını kontrol edebilmemiz için yazılımlar geliştirmektedir. Örneğin, IBM’in süper iletken kübitlerden oluşan kendi kuantum bilgi işlem donanımını kontrol etmek için kullandığı Qiskit framework’ü, donanımdan tamamen bağımsızdır.

Bu konuda IBM Quantum Yazılımı Sağlama Lideri Paul Nation, "Bahsettiğiniz qubit ne olursa olsun – geçit tabanlı hesaplama yapıyorsanız ve Qiskit'i kapılarınızla uyumlu şekilde ayarlarsanız, kesinlikle işe yarar," diyor. Ancak bu, oldukça zahmetli bir iş olacaktır. IBM’in kendi cihazları için, Qiskit kodu süper iletken kübitler için darbe (pulse) oluşturan dalga biçimine dönüştüren birkaç arka uç adımı içeriyor. Kendi kuantum cihazınızda ise, iki kübit durumu arasında dönüşüm yapan X-geçidi veya iki durumu eşit bir süperpozisyona getiren Hadamard geçidi gibi basit kuantum kapılarını uygulamanın ne anlama geldiğini anlamalı ve belirlemelisiniz. Qiskit ve cihazınızın birbiriyle iletişim kurabilmesi için bir arayüz oluşturmanız gerekecek. Ayrıca, Qiskit’in pulse özelliğini, kübitlerinizin tutarlılık süresini kalibre etmek ve hesaplamak için kullanabilir, özel darbeler (pulses) göndererek bu darbelerin şeklini, frekansını ve süresini kontrol edebilirsiniz. Bir kuantum cihazı ile Qiskit ve OpenPulse dili arasındaki arayüz hakkında daha fazla bilgiye buradan ulaşabilirsiniz.

Kuantum bilgisayarları oluşturmak, büyük bir zaman, çaba ve insan gücü gerektirir, bu yüzden şirketler ve araştırma kurumları, bu cihazları inşa etmeye ve anlamaya çalışan özel ekiplerle çalışmaktadır. Ancak, “Kendin Yap” (DIY) gibi bir seçeneğiniz de vardır. Piyasada bulunan parçaları kullanarak gerçekten bir kuantum sistemi kurabilir ve hatta Qiskit gibi açık kaynaklı yazılımlarla cihazınızı kontrol edebilir ve programlayabilirsiniz. O halde, neden denemiyorsunuz?

Kendi kuantum cihazınızı üretip Qiskit ile programlayabilmek üzerine ikinci bir yazı paylaşmayı planlıyorum. Bu yazılarımı bir seri halinde sürdürmeyi düşünüyorum. Merak ettiklerinizi veya paylaşmak istediklerinizi yorumlarda belirtebilirsiniz. Bu tür geri bildirimlerden memnuniyet duyarım.{alertInfo}