Ev Şartlarında Bir Quantum Bilgisayar Yapmak

Ev Şartlarında Kuantum Bilgisayar Yapılabilir Mi?        

                        

Qiskit, Q# gibi opensource frameworkler, quantum bilgisayarları bulut üzerinden programlamanızı ve sonuçları simüle etmenizi sağlar. Eğer siz de bunları denemiş ve kuantum bilgisayarlara aşina olan girişimci bir kişi iseniz, kendinizin de quantum bilgisayarlara dair elle tutulur bir çalışmanızın bulunmasını istiyorsanız, kendi oluşturduğunuz bir kuantum bilgisayarı programlamaya ne dersiniz?

Teknik olarak, evinizde kuantum algoritmaları çalıştıran tam işlevli bir kuantum bilgisayar inşa edemezsiniz. (milyonlarca dolarınız, fabrika ve araştırma tesislerine erişiminiz ve çok fazla zamanınız yoksa) Bununla birlikte, 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 bilmek önemlidir. Kuantum bilgisayarlar, verileri kuantum sistemlerine özgü özelliklerle temsil ederek depolayan ve işleyen sistemlerdir.

Size en basit hâliye anlatmaya çalışacağım. Günümüz klasik bilgisayarları 2 bitlik 1 ve 0'lardan oluşan akım birimleri ile çalışırlarken quantum sistemlerde Qbit dediğimiz hem 1 ve hem 0 olabilen bit değerleri vardır. Bu hâle dolanıklılık hâli denilirken hem 1 hem 0 olma durumuna da süperpozisyon adı verilir.

Fizikçi David DiVincenzo, bir yapının "kuantum bilgisayar" adını alabilmesi için cihazın karşılaması gereken beş kriterden oluşan bir kural dizisi önerdi. Bu kurallar başlıca:

Kontrol edilebilmeli

• Ölçeklenebilmeli
• Kuantumluluk pozisyonunu gerçekten hesaplamalar yapacak kadar uzun süre koruyabilmeli
• Üzerinde evrensel bir işlem kümesi ( mantıksal kapılar) gerçekleştirilebilmeli
• Ve her biri bunu yapabilecek kübitleri inşa edebilmeli ve ölçülebilmelidir.

Onlarca yıllık araştırma ve harcanan yüksek maliyetlerden sonra, araştırmacılar bu kriterleri tam olarak karşılayabilecek cihazları üretmeye henüz yeni yeni başladılar. Kuantum bilgisayarların araştırmacılar için ortaya çıkardığı zorluklar göz önüne alındığında, DiVincenzo kriterlerine uyan ev yapımı bir kuantum cihazının basitçe bir araya getirilemeyeceğini söylemek yalan olmayacaktır. Öyleyse umudumuzu şu şekilde güncelleyelim: kusursuz bir quantum sistemi dizayn edemeyeceğiz ama kendi kendimize satın alabileceğimiz parçaları veya kaynakları kullanarak kontrol edebileceğimiz, manipüle edebileceğimiz ve ölçebileceğimiz kuantum sistemler tasarlayabiliriz. Öyleyse 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 veya ışık parçacıklarının özelliklerine ilişkin verileri depolayan, fotonik kuantum hesaplama adı verilen bir kuantum hesaplama mimarisinin peşinde koşuyorlar. Optik bileşenlerin satın alınmasının nispeten kolay olduğu gerçeği göz önüne alındığında, fotonik kuantum bilgisayarlar, kendi başınıza deneme - yanılmalar yapacağınız en iyi kuantum sistemleridir.

Böyle bir kuantum bilgisayarı inşa etmek, tutarlı ve kontrol edilebilir fotonlar üreten ve kaliteli ışınlar üretebilen bir ışık kaynağına ihtiyaç duyarlar. Örnek olarak küçük pulslar yayan bir lazer veya daha fazla paranız varsa pahalı bir alternatif olan tek bir foton yayıcısı gösterilebilir.

Kuantum bilgilerini depolamanın iki yolu vardır.

1. Fotonların polarizasyon durumlarına göre,
2. veya bir fotonun iki optik fiberden hangisinin içinden geçtiğinin bilgisine göre.

Lazer veya foton yayıcılarının yanı sıra ihtiyacımız olacak diğer şeyler ise, fotonları üst üste yerleştirebilen ve mantıksal kapılar(ve, veya vs.) uygulayabilen optik bileşenlerdir. Bu bileşenler;

1. fotonları iki yoldan birisine yönlendirebilen bir ışın ayırıcı,
2. ve fotonlar kendi yollarında ilerlerken ışınların fazını değiştiren cihazlardır.

Son olarak, fotonun son durumunun ne olduğunu belirlemek için bir kamera veya detektöre ihtiyacımız olacak. İhtiyaç listemiz bu kadar. Yukarıdaki bileşenler kullanılarak oluşturulan foton tabanlı kuantum bilgisayarların bir adı var: Emanuel Knill, Raymond Laflamme ve Gerard James Milburn'ün adını taşıyan ve 2001'de yayınlanan KLM protokolü. Bu protokol şu anda geliştirilmekte olan birkaç farklı optik kuantum hesaplama mimarisinden biridir.

Bu cihazı oluşturmaya nasıl devam edeceğiniz, kübitler üzerinde ne kadar kontrol sahibi olmayı umduğunuzla doğru orantılıdır. Optik bir düzenek, önceden oluşturulmuş Mach-Zender interferometre gibi son teknoloji ürünü optik bileşenler, tek foton yayıcılar ve hassas dedektörler satın alarak bir kuantum denetleyicisi yapabilirsiniz veya nispeten DIY dediğimiz kendin yap yolunu seçebilirsiniz. - kuantum meraklıları için çözümler sunan kuantum hesaplama tekniklerinin başlangıcını oluşturan kişilerden birisi olan Spooky Manufacturing'in kurucusu Noah Wood, darbeli bir lazer diyot kullanarak, fotonları bunlara göre ayıran bir ışın ayırıcıyla KLM tipi bir kuantum bilgisayarını nasıl inşa ettiğini ayrıntılarıyla birlikte BURADAKİ sayfasında anlatıyor. Daha sonra bu ev şartlarındaki cihazın da ayrıntılarını ikinci yazımda aktaracağım.

Riverlane'da bulunan Quantum Software şirketi'nde Araştırma Yazılım Geliştiricisi olan Alex Moylett, bu tür cihazlarda karşımıza çıkan zorluğun fotonları bir süper pozisyona yerleştirmek değil, asıl zorluğun, fotonlar birbiriyle etkileşime girmediğinden dolayı zor olan dolanmayı (entanglement) üretmektir, diyor. Bilgisayar, fotonları bir dizi optik fiber boyunca yönlendirerek ve faz kaymaları uygulayarak dolanma oluşturur. Bundan sonra gözlemcinin ayrıca son olarak seçim şemalarını uygulaması gerekiyor. Bu şemaları uygulayan gözlemcinin yaptığı şeyler:

1. dolanıklığın meydana gelmediği herhangi bir hesaplama sonucunu atmak,
2. başarılı bir dolanma sonucu elde edene kadar mantıksal kapıları yeniden uygulamaktır.

Ama optik bileşenlerin dışında başka yöntemler ile bir kuantumları gözlemlemeyi tercih ederseniz, o zaman belki başka bir parçacığın kuantum özelliklerini kontrol etmeyi ve değiştirmeyi isteyebilirsiniz: mesela bir elektronun dönüşünü (spin) kontrol etmek gibi.

Qubit'leri Nükleer Manyetik Rezonans Kullanarak Daha Demode Bir Yol İle Oluşturmak

Ev yapımı bir NMR cihazı (Resim: Abe Asfaw)

Kuantum hesaplama mimarisindeki ilk öncülerden biri olan NMR, MRI makineleriyle aynı konsepte sahip olan nükleer manyetik rezonans (NMR) konseptine dayanır. NMR cihazları, günümüzün süper iletken ve trapped (yakalanmış - tuzaklanmış) iyon kuantum bilgisayarları kadar yetenekli değil, ancak bilim adamları hala modern cihazlarda NMR kuantum hesaplamasından öğrenilen teknikleri kullanıyorlar.

NMR kuantum bilgisayarları, güçlü, sabit bir manyetik alanda tutulan ve özel olarak ayarlanmış radyo frekansı darbelerine maruz kalarak bozunan bir ortamdan ve genellikle bir sıvıdan oluşurlar. Bilgisayar, bilgiyi bir maddenin manyetizmasının temel birimi olarak düşünebileceğiniz spin durumları adı verilen atom çekirdeğinin doğuştan gelen kuantum özelliğine kodlar. Sudaki hidrojen atomları ve karbon-13 gibi bazı atomik izotoplar, genellikle yukarı ve aşağı olarak adlandırılan iki dönme durumuna sahip ayrı kübitler olarak gözlemlerimize hizmet edebilirler. RF darbeleri bu kübitlerin durumlarını değiştirebilir veya durumlarının çekirdekler arasında dolanmasına neden olabilirler.

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 ortamdaki her molekülün davranışının ortalamasını verdiği ve her biri küçük bir kuantum işlemci görevi gördüğü anlamına gelir. Bu toplu ölçümler, NMR kuantum bilgisayarlarının ölçümlerinin çok noisy (saf olmayan ölçümler) içereceği ve çok ölçeklenebilir olmayacağı anlamına gelir.

Ancak iyi bir kuantum bilgisayar inşa etmeye çalışmıyoruz - evimizdeki kuantum durumlarını kontrol etmeye ve ölçmeye çalışıyoruz. Bu yüzden beklentimiz düşük olmalı.

Bir NMR kuantum bilgisayarı oluşturmanın temel taşı, moleküllerden aldığınız sinyali en üst düzeye çıkarmak için satın alabileceğiniz veya inşa edebileceğiniz güçlü bir elektromıknatıstır. Bu tarz bir mıknatısı bile nispeten basit bir şekilde inşa edebilirsiniz. Bir LC devresine bağlı olan bir solenoidi, cihazı uygun frekansa ayarlamak ve çekirdeklerin darbelere tepkisini okumak için kullanacağız. Darbeleri özelleştirmek için ayrıca bir RF sinyal oluşturucu ve bir FPGA'ya ihtiyacımız olacaktır.

Ortamı denemekten çekinmemek gerek, ancak olasılıklar arasında etanol, aseton, gliserin, karbon-13 ile zenginleştirilmiş kloroform veya hatta sadece suda yüzen hidrojen atomları bulunmalı (bu durumda çalışacak yalnızca bir kübitiniz olacak olsa da) . Cihazınızı oluşturmak için harcadığınız gider, mıknatısa ve kullanmayı planladığınız elektronik donanıma bağlıdır, ancak temel bilgileri bir araya getirmenize yardımcı olacak pek çok öğretici vardır. Hatta bir darbeli NMR cihazı satın alıp parçalarına ayırarak kendi NMR mimarili kuantum bilgisayarınızı kurgulayabilirsiniz. Detayları linklerde bulabileceğiniz gibi sonraki yazılarımda da paylaşacağım.

İyonları Yakalayarak Qubit'ler Oluşturmak

Peki ya hep medyadaki haberlerin çoğunda gördüğümüz ve şirketlerin inşa etmek için birbirleriyle yarıştığı gibi daha gelişmiş bir kuantum bilgisayar yapmak istersek? Bu durum ne kadar mümkün buyurun tartışalım.

Günümüzün en gelişmiş iki kuantum mimarisi, süper iletken ve tuzağa düşürülmüş veya yakalanmış(trapped) iyon kuantum bilgisayarlarıdır. Süper iletken kübitler, çok sayıda özel olarak üretilmiş bileşen ve bir seyreltme buzdolabına ihtiyaç duydukları için hobi dünyasının ötesindedir, kendi şartlarımızda bunları karşılayamayız. Ancak bir girişimci olan Yann Allain, tuzağa düşürülmüş(trapped) bir iyon kuantum bilgisayarını "% 99 indirim" ile bir araya getirmek üzerine bir girişime sahip olduğunu ve bunun üzerinde çalıştığını söylemeden geçmeyelim. İlgili yere tıklayarak detaylarına erişebilirsiniz.

İyonlar oldukça basit bir kuantum sistemidir. Temel durumdaki bir atom veya uyarılmış bir durum gibi elektronik durumlar, kübit durumları olarak hizmet edebilirler. Paul tuzağı adı verilen radyo frekansı alanları üreten bir AC ve DC elektrot sistemi iyonları sınırlayabilir. Lazerler iyonları soğutmaktan, kaynak parçacıkları iyonlaştırmaktan ve iyonların durumlarını okumaktan sorumludur ve bir mikrodalga kaynağı (veya daha fazla lazer), onları kontrol etmek için iyonları başlatan ve bunlara kapılar gönderen darbeler gönderir. Noise (Paraziti) azaltmak için her şeyin bir vakum odasına girmesi gerekiyor. Bunun için vakum pompaları da gerekir.

En büyük zorluğunuz muhtemelen yeterince güçlü bir vakum elde edememek, mikrodalga veya lazer kontrol kurulumunuzu oluşturamamak ve iyonları yakalamak için Paul tuzağınızı oluşturmak olacaktır. İlk olarak küçük parçacıkları yakalamaktan başlayıp sonraki aşamalara geçilebilir. Allain, Paul tuzağını bir Kickad tasarımı ve bir CNC (bilgisayar sayısal kontrolü) eksiltmeli üretim makinesi kullanarak 2D tuzağını seramik bir yongaya kazımak için inşa etti. Konuşmasında lazer kontrol sistemini kurmak için mücadele ettiğini söylüyor (önceden oluşturulmuş bir sistemi 25.000 Euro'ya satın almak yerine lazer sistemini sıfırdan yaklaşık 2.000 Euro'ya yapmaya çalıştı). Önceleri bir iyon tuzağı kuantum bilgisayarının üzerinde beyin fırtınası yapmanın ötesine geçemiyorken, Kaliforniya Üniversitesi doktora sonrası doktoru Sara Mouradian, birkaç geçidi yüz bin dolardan daha düşük bir fiyata yakalayan ve gerçekleştirebilen basit bir cihaz yapabileceğimizi gösteren bir kaç argüman yayımladı.

Daha da etkileyici bir şey inşa etmeyi umuyorsanız eğer yüksek lisansınızı yurtdışı eksenli iyi bir üniversitede yapmak sizleri bu alanda iyi bir seviyeye 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 herhangi birisini kullanarak bir kuantum bilgisayar yaptığınızı varsayarsak, hayal ettiğinizin aksine bu bilgisayar günümüz bilgisayarları gibi tuşlarla kontrol edilip, programlanabilen bir bilgisayar olmayacaktır. Ama bazı şirketler, kuantum cihazınızı kontrol etmek için kullanabileceğimiz yazılımlar geliştiriyorlar. Örnek verecek olursak, IBM’in kendi kuantum bilgi işlem donanımı süper iletken kübitlerden oluşsa da, cihazlarını kodlamak için kullandığı Qiskit frameworkü donanımdan tamamıyla bağımsızdır.

Bu hususta IBM Quantum Yazılımı Sağlama Lideri Paul Nation, "Bahsettiğiniz qubit ne olursa olsun - geçit tabanlı hesaplama yapıyorsanız ve Qiskiti kapılarınızı anlayacağı şekilde ayarlarsanız, kesinlikle işe yarar," diyor. Ama bu gerçekten yorucu bir iş olacak. IBM’in kendi aygıtları için, Qiskit kodunu süperiletken kübit için darbe(pulse) oluşturan dalga biçimine dönüştüren birkaç arka uç adımı vardır. Kendi makineniz için, iki kübit durumu arasında dönen X-geçidi veya kübiti iki durumun eşit bir süperpozisyonuna yerleştiren Hadamard geçidi gibi basit kuantum kapılarını uygulamanın tam olarak ne anlama geldiğini anlamanız ve belirlemeniz gerekir. Qiskit ve cihazınızın birbiriyle konuşabilmesi için bir arayüz oluşturmalısınız. Qiskit pulse özelliğini, kübitlerinizin tutarlılık süresini kalibre etmek ve hesaplamak için kullanabilir, ayrıca pulse şeklini, frekansını ve süresini kontrol ettiğiniz özel pulselar (darbeler) gönderebilirsiniz. Bir kuantum cihazı ile Qiskit ve OpenPulse dili arasındaki arayüzü oluşturma hakkında daha fazla bilgiyi buradan edinebilirsiniz.

Kuantum bilgisayarların oluşturulması çok fazla zaman, çaba ve insan gücü gerektirir, bu nedenle şirketler ve araştırma kurumları bu cihazları inşa etmeye ve anlamaya çalışan özel ekiplere sahiptir. Ancak, DIY (kendin yap) gibi bir seçenek için bunlara ihtiyacınız yoktur. Piyasada bulunan parçaları kullanarak gerçekten bir kuantum sistemi kurabilir ve hatta Qiskit gibi açık kaynaklı yazılımları kullanarak cihazınızı kontrol edebilir ve programlayabilirsiniz. Öyleyse neden denemiyorsunuz?

Kendi kuantum cihazınızı üretip Qiskit ile programlayabilmek üzerine ikinci bir yazı paylaşacağım. Hatta bir seri olarak bu yazılarıma devam etmek istiyorum. Merak ettiklerinizi ve paylaşmak istediklerinizi yorum olarak paylaşabilirsiniz. Bundan memnuniyet duyarım.