Son yıllarda, yapay zekâ alanındaki hızlı ilerlemeler kamuoyunun yoğun ilgisini çekip eleştirilerle karşılaşırken, başka bir kritik teknoloji büyük ölçüde kamu gözünden uzak gelişim gösteriyor. Bir zamanlar soyut teoriyle sınırlı kalan kuantum bilgisayar, kuantum mekaniğine dayanan işlemleri kullanarak daha önce çözülemez olarak kabul edilen hesaplama problemlerini çözmeyi amaçlamaktadır. Teknoloji henüz emekleme aşamasında olsa da, kuantum bilgisayarın önümüzdeki on yıllarda ulusal güvenlik ve küresel ekonomi üzerinde derin etkiler yaratabileceği şimdiden açık bir gerçek.
2010’ların sonlarından bu yana, Amerika Birleşik Devletleri ve diğer birçok gelişmiş ülke, kuantum bilgi bilimi ve teknolojisi alanında liderlik yarışına giderek daha fazla katılır hale geldi. Bu alan, kuantum bilgisayar, kuantum iletişim ve kuantum algılama teknolojilerini kapsamaktadır. Son on yılda, 20 ülkedeki hükûmetler kuantum geliştirme alanında toplam 40 milyar dolardan fazla yatırım duyurdu; sadece Çin, beş yılda 15,3 milyar dolar harcama taahhüttünde bulundu. 2016’da Pekin, kuantum teknolojilerinin geliştirilmesini ulusal öncelik olarak ilan etti ve üretim için ileri düzey merkezler kurdu. ABD ise 2018’de, ülkenin kuantum bilgi bilimi ve uygulamalarında teknolojik ve bilimsel liderliğini sürdürmeyi amaçlayan Ulusal Kuantum Girişimi’ni yasalaştırdı. ABD hükûmeti, savunma araştırma ve geliştirme çalışmalarına ek olarak 3,7 milyar dolarlık açıklanmış fon duyurdu. Devlet liderliğindeki girişimlere ek olarak, özel sektör ve akademide çok sayıda araştırma ve geliştirme çalışması yürütülmektedir.
Bu yatırımlar ABD ve uluslararası yapay zekâ fonlamasıyla kıyaslandığında hala az olsa da, kuantum teknolojisinin yükselişi şimdiden uluslararası politikayı şekillendirmeye başladı. 2019’da ABD, Japonya ile “Kuantum İşbirliği Bildirgesi“ ilan etti ve 2023’te bu bildirgeyi güçlendirdi. 2024’te Washington, yeni teknolojinin ilerletilmesi ve yönetilmesine yönelik stratejileri koordine etmek için çok taraflı bir girişim olan Kuantum Geliştirme Grubu’nu kurdu. ABD ayrıca kuantum meselelerini, Avustralya, Birleşik Krallık ve ABD arasındaki üçlü savunma paktı olan AUKUS; Avustralya, Hindistan, Japonya ve ABD arasındaki Dörtülü Güvenlik Diyaloğu (Quad); ve ABD-AB Ticaret ve Teknoloji Konseyi gibi çeşitli ekonomik ve güvenlik forumlarında görüştü. Washington’da teknolojiye yönelik artan endişeleri vurgulayan bir analist, Kasım ayında, ABD’deki başkanlık seçiminin ardından, yeni yönetimin “ABD’nin kuantum rekabetçiliğini yeniden canlandırmak için ilk 100 gün içinde hızlı hareket etmesi“ gerektiğini savundu.
Şimdiye kadar kuantum teknolojisinin ortaya çıkışı büyük ölçüde bir ulusal güvenlik meselesi olarak algılandı. 1990’lardan bu yana, araştırmacılar, güçlü bir kuantum bilgisayarın yaratabileceği en büyük tehditlerden birinin, şu anda dünyadaki en gelişmiş iletişim sistemleri ve dijital ağlarda kullanılan şifrelemeyi delebilecek bir kod kırma aracı olması olduğunu kabul etmiştir. Bu endişe, ABD hükûmetini kuantum dirençli şifreleme geliştirmeye, kuantum teknolojisi ve ilgili ürünler üzerindeki ihracat kontrollerini güçlendirmeye ve endüstri, akademi ve yerel hükûmetlerle eylem odaklı ortaklıklar kurmaya yöneltmiştir.
Ancak kod kırmayı ön planda tutan bu odaklanma, kuantum teknolojisinin diğer önemli uygulamalarını göz ardı etmelerine neden olmuştur. Aslında, kuantum makinelerinin gelişmiş şifreleme sistemlerini delebilecek kapasiteye ulaşmasından önce ki bu teknoloji geliştirildikten sonra bile büyük hesaplama gücü gerektirecektir—ekonomi’nin birçok sektöründe dönüştürürecek etkiler yaratabilirler. Enerji ve eczacılık dahil olmak üzere, kuantum teknolojileri etkili bir şekilde kullanıldığında yenilikçiliği, bilimsel keşifleri, ekonomik büyümeyi ve fırsatları teşik edebilir. İnsan üretimi üzerindeki etkileri açısından, kuantum makineleriyle elde edilebilecek bazı atılımlar, şu anda yapay zekâdan beklenenlerle karşılaştırılabilir. Bu nedenle, teknolojinin açık toplumlarda geliştirilmesi ve iyiliksever amaçlarla kullanılmasını sağlamak için net sınırlar belirlenmesi özellikle önemlidir.
Kuantum yarışını kazanmak kolay olmayacak. Çin, kuantum iletişim gibi bazı alanlarda şimdiden öncülük yapmış durumda ve önümüzdeki yıllarda, ABD’nin rekabet gücünü koruyabilmesi için odaklanmış Amerikan yeniliği ve liderliği kritik önem taşıyacaktır. ABD ve uluslararası müttefiklerinin, kuantum projelerini gerçekleştirmek için çok daha fazla kaynak ayırması ve bu projeleri desteklemek için kuantum endüstrileri ve güçlü bir kuantum tedarik zinciri geliştirmesi gerekecek. ABD ve müttefikleri bu çabaları merkezi bir stratejik hedef ve politika önceliği haline getirmezse, diplomatik etkisini, askeri gücünü ve güçlü bir yeni teknolojiyi denetleme yeteneğini kaybedebilir. Ayrıca ekonomik ve toplumsal ilerleme için yeni bir yol çizme fırsatını da kaçırabilir.
HER YERDE AYNI ANDA
Kuantum bilgisayar fikri ilk olarak teorik fizikçi ve Nobel Ödüllü Richard Feynman tarafından 1981 yılında öne sürüldü. Feynman, kuantum mekaniğinin doğuş döneminde, bilim insanlarının atomlar, elektronlar, ışık ve diğer nanoskopik nesnelerin evrendeki her şeyin yapıtaşlarının günlük yaşam nesnelerinden tamamen farklı kurallara tabi olduğunu anlamaya başladığı dönemde yetişmiştir. Örneğin, klasik mekaniğin düz kurallarını izleyen bir topun aksine, elektronlar hem parçacık hem de dalga olarak davranır ve yerleri tam olarak tanımlanamaz.
Feynman’ın öngörüsü, kuantum mekaniğini ve evrenin genel işleyişini gerçekten anlamak için aynı yasalara göre çalışan bir bilgisayar inşa etmenin gerekli olduğuydu. “Doğa klasik değil, kahretsin,“ demişti, “eğer doğanın bir simülasyonunu yapmak istiyorsanız, kuantum mekaniği kurallarını kullanmalısınız.“
Feynman’ın öngörüsü ileri görüşlüydü. Geçen 40 yıldan fazla sürede, “klasik“ tasarıma sahip bilgisayarlar dünyayı tamamen değiştirdi: Bugün cebimize sığan mobil telefonlar, 1980’lerin devasa masaüstü bilgisayarlarından bir milyon kat daha gücülüdür. Moore yasası bir bilgisayar çipindeki transistör sayısının her iki yılda bir iki katına çıkacağı öngörüsü çok sayıda sona erme tahminine rağmen yarı iletken endüstrisinde genelde geçerliliğini korudu. Ve bugün dünyanın en iyi süper bilgisayarları saniyede bir kentilyon yani bir milyar milyar işlem yapabiliyor. Ancak bu devrim olgunlaşmaya devam ettikçe, bazı hesaplamaların, dünyanın en iyi klasik bilgisayarlarıyla bile çözülemez kalacağı gittikçe daha açık hale geldi.
Bu durum, mevcut bilgisayar teknolojilerinin dayandığı temel ilke ile sınırlı olmasından kaynaklanmaktadır. İster bir abaküs, ister kişisel bir dizüstü bilgisayar, ister ulusal güvenlik tesisindeki yüksek performanslı bir makine kümesi olsun, klasik hesaplamanın tüm biçimleri, akademisyenlerin Boolean mantığı olarak adlandırdığı bir sistemi takip eder. Bu sistemde, temel bilgi birimi bir bit olup, geleneksel olarak 0 veya 1 olarak adlandırılan iki durumdan birini alabilen bir nesnedir. Bu sistem, birçok türde hesaplama için son derece verimli olduğunu kanıtlamış olsa da, bin basamaklı bir sayının çarpanlarını bulmak, yüzlerce atoma sahip bir molekülün tepkime dinamiklerini hesaplamak veya birçok alanda yaygın olan belirli türden optimizasyon problemlerini çözmek gibi aşırı karmaşıklıkta hesaplamaları gerçekleştiremez.
Buna karşılık, kuantum mekaniğinden yararlanan kuantum hesaplama, aynı sınırlamalara sahip değildir. Kuantum fiziğinin çarpıcı ve sezgilere aykırı bir dersi, parçacıkların birden fazla durumun eşzamanlı bir kombinasyonunda bulunabileceğidir. Buna uygun olarak, yalnızca ya-ya da işlemiyle çalışan bitler yerine, kuantum hesaplama, hem 0 hem de 1 durumunda aynı anda bulunabilen bir sistem olan kuantum bit (kubit) kullanır. Süperpozisyon olarak bilinen bu "aynı anda iki durum" yeteneği, daha fazla kubit birlikte çalıştığında artan büyük bir hesaplama avantajı sağlar. Klasik bir bilgisayarın bir durumu diğerinden sonra sırasıyla işlemesi gerekirken, bir kuantum bilgisayarı birçok olasılığı paralel olarak keşfedebilir. Bir labirentte doğru yolu bulmaya çalışmayı düşünün: Klasik bir bilgisayar her yolu tek tek denemek zorundayken, bir kuantum bilgisayarı birçok yolu aynı anda keşfedebilir ve belirli görevlerde kat kat daha hızlı olur. Önemli bir nokta olarak, popüler basitleştirmelerin aksine, bir kuantum bilgisayarı yalnızca paralel çalışan büyük bir klasik bilgisayar kümesi değildir. Kuantum bir işlemci aracılığıyla keşfedilebilecek üstel sayıda olası cevap olmasına rağmen, sonunda yalnızca bir kombinasyon ölçülebilir. Bu nedenle, kuantum bir bilgisayardan bir çözüm elde etmek, doğru cevabı güçlendiren akıllıca bir programlama gerektirir.
En büyük zorluklardan biri, anlamlı problemler için tutarlı sonuçlar üretecek kadar büyük ve kararlı kuantum işlemciler geliştirmektir. Bu tür işlemciler çevrelerine son derece duyarlıdır ve sıcaklık değişiklikleri, titreşimler ve diğer bozulmalardan kolayca etkilenebilir; bu da sistemde çeşitli hatalara yol açabilir. Hesaplama doğruluğu, kubitlerin koheransını korumasına bağlı olduğundan, araştırmacılar, kubit kalitesini artırmaya yönelik yeni tasarımlar, çip üretim süreçleri ve kubit hatalarını düzeltmek için teknikler gibi yöntemlere yoğun bir şekilde yatırım yapmaktadır.
Günümüzde, her biri kendi avantaj ve dezavantajlarına sahip çok sayıda kubit tasarım yaklaşımı bulunmaktadır. İlke olarak, atomlar, moleküller, iyonlar ve fotonlar gibi herhangi bir kuantum mekanik sistemi bir kubite dönüştürülebilir. Ancak, pratikte üretilebilirlik, kontrol edilebilirlik, performans ve hesaplama hızı gibi faktörler en uygulanabilir yolları belirler. Günümüzde önde gelen çabalar arasında süperiletken, nötr atom, fotonik ve iyon kapanı kubitleri yer almaktadır. Bu erken aşamada, hangilerinin başarılı olacağı belirsizdir. İşlemciyi geliştirmekten öte, diğer zorluklar arasında kubitlerin nasıl paketleneceği, sinyallerinin nasıl iletileceği ve uygulamaların nasıl çalıştırılacağı yer almaktadır. Araştırmacılar, süperiletken kubitleri mutlak sıfırın bin derecesi üzerinde bir seviyeye kadar soğutabilen kriyojenik soğutucular kullanmalıdır; bu, çalışma için ultra soğuk, karanlık ve sessiz bir ortam sağlar. Bu yüksek düzeyde uzmanlaşmış bileşenler için gereken uzmanlık, birçok ülkedeki farklı kaynaklardan gelir. Bugün, Amazon, Google, IBM ve QuEra gibi çeşitli "tam yığın" kuantum hesaplama şirketleri, bileşenleri nihai bir ürüne entegre etmeye çalışmaktadır. Kısacası, kuantum hesaplama bugün çok sayıda zorluk ve belirsizlikle karşı karşıyadır ve sürekli gelişim, bir dizi mühendislik yeniliği gerektirecektir. Açık olan şu ki, bu yaklaşımların herhangi birinin başarılı olması için güvenilir, ölçeklenebilir ve maliyet açısından etkili olmaları gerekmektedir.
YENİ CEVAP MAKİNELERİ
Tam ölçekli bir kuantum bilgisayara ulaşma yarışı birden fazla motivasyonla yönlendirilmektedir. En temelde, kuantum hesaplama, dünyanın en iyi klasik bilgisayarlarının çözmesi eonlar alacak problemleri daha önce çözülemez olarak düşünülen bilmeceleri cevaplama sözü verir. Bu tür problemlerin en iyi bilinenı, bir sayının birçok daha küçük sayının çarpımı olarak ifade edilmesi anlamına gelen tamsayı faktörleştirme problemidir: En hızlı süper bilgisayarlar bile çok büyük sayıları faktörleştiremez. Bu, faktörleştirmeye dayanan en gelişmiş şifreleme türlerinin şu an kırılamaz olduğu anlamına gelmektedir. Ancak kuantum bilgisayarlar bunu değiştirebilir.
1994 yılında, bilgisayar bilimcisi Peter Shor, bir kuantum bilgisayarın çok büyük sayıları faktörleştirebileceğini kanıtladı. O dönemde böyle bir bilgisayar tamamen teorik bir kavram olarak kalmaktaydı, ancak teknoloji gelişmeye başladıkça Shor’un bu öngörüsü, kuantum işlemcilerin bir gün en gelişmiş şifreleme sistemlerini bile kırabilecek kapasitede olabileceği yönünde endişeler uyandırdı. Bugün ulusal güvenlik uzmanları, düşman devletlerin ve özel aktörlerin yeni teknolojinin gelişimini öngörerek halihazırda şifrelenmiş bilgileri topladığını„şimdi depola, sonra şifreyi kır‟ yaklaşımı düşünmektedir.
Ancak, şifre kırma, kuantum bilgisayarların olası uygulamalarından yalnızca biridir ve muhtemelen daha on yıllar uzaklıktadır. Feynman’ın sezdirdiği gibi, kuantum tabanlı hesaplama için daha bariz kullanımlar, elektronlar, moleküller ve malzemeler gibi kuantum sistemlerinin hassas hesaplamalarını yapma yeteneğine yani kuantum simülasyonuna ilişkindir ve bu uygulamalar daha erken kullanıma sunulabilir. Kuantum işlemciler şimdiden fizik alanındaki oldukça özel bazı alanlarda kuaziparçacık mühendisliği, çoklu-parçacık dinamikleri, spin taşınması, metál taşınması, zaman kristalleri, solucan deliği dinamikleri ve manyetizasyon keşlere katkıda bulunmaktadır. Tam ölçekli, tam kapasiteye sahip bir kuantum bilgisayar ile imkanlar çok çarpıcıdır. Tarım gübrelerini düşünün. Günümüzde, azot sabitleme azot gazından amonyak üretmek için gereken kimyasal işlem çok yoğun enerji gerektirir ve dünyanın yıllık enerji bütçesinin yaklaşık yüzde ikisini oluşturur. Bunun nedeni, bu tepkimede kullanılan endüstriyel katalizörlerin son derece verimsiz olmasıdır. Aslında, biyolojik azot sabitleme için bir katalizör olan doğal olarak meydana gelen FeMoco molekülü çok daha verimlidir, ancak endüstriyel ölçekte kimyasal olarak sentezlenemez veya izole edilemez ve etki mekanizmasını açıklamak mevcut hesaplama teknolojisi için çok zorlayıcı olmuştur. Ancak kuantum bilgisayarlarla, araştırmacılar FeMoco’nun reaksiyon mekanizmasını öğrenmek için gerekli olan zor hesaplamaları yapabilir ve FeMoco’dan esinlenen katalizörler tasarlayarak büyük miktarda enerji tasarrufu sağlayabilir.
Eczacılığı düşünün. İlaç moleküllerinin vücuttaki moleküllerle etkili bir şekilde etkileşimde bulunması gerekir. Cytochrome P450’nin davranışını—ilaç metabolizmasından büyük ölçüede sorumlu olan ve bu nedenle hastaların ilaca nasıl yanıt vereceğini belirleyen bir enzim ailesi—simüle etmek için klasik bilgisayarlar devasa miktarda hesaplama gücü gerektirirdi. Kuantum bilgisayarlarla bu çok daha verimli bir şekilde yapılabilir ve önemli hastalıklarla mücadele yeniliklerine yol açabilir. Kimya ve malzeme endüstrilerinde, kuantum hesaplama elektrikli arabalar için daha verimli bataryalar ve gemiler için paslanmaz malzemeler tasarlanmasına yön verebilir. Kuantum bilgisayarlar ayrıca nükleer füyon reaktörlerini sürdürülebilir bir enerji kaynağına dönüştürme sorununu çözmede yardımcı olabilir.
Bir diğer umut verici uygulama alanı makine öğrenmesidir. Elektronik, manyetik ve bir kuantum sisteminin davranışını tanımlayan diğer bilgilerden oluşan kuantum veriler üzerinde eğitilen klasik bilgisayarların muazzam miktarda veri ve işlem süreleri gerektirdiği bir durum söz konusudur. Buna karşın, kuantum bilgisayarları kuantum veriler üzerinde eğitilirse, bir görevi öğrenmek için üssel olarak daha az örneğe ihtiyaç duyar. Bu kadar büyük verimlilik artışı ile bu makineler, sayısız kimyasal ve malzemenin davranışını öğrenmek ve tahmin etmek için kullanılabilir. Şu anda, kuantum bilgisayarların bugünün yapay zekâ sistemlerinin temelini oluşturan metin, ses ve video verileri gibi klasik verilerden öğrenme konusunda bir avantaj sağlayıp sağlamayacağı belirsizdir. Ancak kuantum hesaplama, klasik yapay zekâdaki ilerlemelerden zaten faydalanıyor: Araştırmacılar, kuantum cihazları tasarlamaya, yazılım geliştirmeye ve kuantum hata düzeltmeyi iyileştirmeye yardımcı olmak için büyük dil modelleri, dönüştürücüler ve diğer yapay zekâ mimarilerinden yararlanıyor.
Elbette, kuantum bilgisayarların, kendileri de kuantum mekanik olan uygulamalarda doğal bir avantaja sahip olması gerektiği mantıklı bir varsayımdır. Daha az belirgin olan ise şu ana kadar kanıtlanmış olan kuantum bilgisayarların faktörleştirme gibi bazı türden kuantum mekanik olmayan problemleri çözmede dramatik kazanmalar sunabileceğidir. Aslında, araştırmacılar ve matematikçiler, kuantum bilgisayarların sorunları klasik bilgisayarlardan çok daha hızlı çözmesini sağlayan 60 algoritma keşfetti. Bu hızlanmaların bazıları, yukarıdaki örneklerde gösterildiği gibi üssel boyutta iken; diğerleri daha az dramatik olsa da yine de klasik bilgisayarların üzerinde önemli kazanmalar sağlamaktadır.
Yoğun bir araştırma alanı optimizasyon çalışmalarıdır. Bir dizi değişken verildiğinde, optimizasyon en verimli çözümü bulmaya çalışır ve finans planlayıcıları, nakliye lojistiği yöneticileri ve sporcuları eğitenler gibi birçok kişi tarafından kullanılır. Optimizasyon aynı zamanda yapay zekâ sistemlerinin merkezinde yer alır. Optimizasyon hesaplamalarının küresel ekonomi için ne kadar önemli olduğu düşünüldüğünde, bunların sadece bir kısmının çok daha hızlı, ucuz ve daha az enerjiyle gerçekleştirilmesi bile etkisi ölçülemez olurdu.
DAHA HIZLI MAKİNELER, DAHA BÜYÜK RİSKLER
Kuantum hesaplamanın olasılıkları ilham verici olsa da, teknolojinin mevcut sınırları gerçeği gözler önüne seriyor. Bugünün seviyesinden, en umut verici uygulamalarından bazıları için gereken gelişmiş sistemlere ulaşmak, son derece karmaşık bileşenleri entegre etmeyi ve sayısız zorluğu aşmayı gerektirecektir. Sonuç olarak, öngörülen uygulamaların birçoğu hala yıllar uzağta olabilir. Örneğin, şu anki tahminlere göre bir kod kırma kapasitesine sahip bir kuantum bilgisayarı, mevcut en iyi prototiplerle karşılaştırıldığında yaklaşık 40.000 kat daha fazla fiziksel kubit ve fiziksel hata oranlarında beş kat azalma gerektirecektir. Basit kimya hesaplamaları yapabilen kuantum bilgisayarlar, maliyet açısından yaklaşık iki büyüklük mertebesi daha düşük olsa da, onlar da çok daha gelişmiş teknolojilere bağlı olacaktır.
Kuantum gelişiminin mevcut durumunu değerlendirmek için Google'ın 2018'de yayınladığı yol haritasından yararlanılabilir. Bu plan, tam ölçekli bir kuantum bilgisayar elde etmek için gereken altı teknik hedef öngörmüştür: Bir kuantum işlemcisinin bir ilk görevde klasik bir bilgisayardan daha iyi performans gösterebileceğini kanıtlamak; bir mantıksal kubit prototipi geliştirmek; gerçek bir mantıksal kubit göstermek; birden fazla mantıksal kubit arasında işlemler için mantıksal bir kapı inşa etmek; basit kuantum simülasyonları için başlangıç noktalarından biri olarak kabul edilen 100 mantıksal kubit üretmek; ve daha karmaşık simülasyonlar için 1.000 mantıksal kubit üretmek. (Bir kod kıran bilgisayar daha gelişmiş yetenekler gerektirecektir.) Google, bu hedeflerden ilk ikisini başarıyla tamamladı ve Aralık 2024'te bugünün en hızlı süper bilgisayarının 10²⁵ yıl alacak bir ölçüt algoritmasını dakikalar içinde çözebilen yeni kuantum işlemcisi Willow'u duyurdu. IBM, IonQ ve QuEra dahil olmak üzere diğer kuruluşlar, büyük ölçekli hata düzeltmeli bir kuantum bilgisayara yönelik kendi yol haritalarını yayınladı. Çinli araştırmacılar, özellikle Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nde, Google'ın ilk hedefine ulaştı ve yüzlerce kubite sahip işlemciler gösterdi. Alanın diğer oyuncuları gibi, Çinli araştırmacıların henüz kamuya açıklanmadığı başka önemli gelişmeleri olduğuna şüphe yoktur.
Kuantum yarışının mevcut durumunu değerlendirmek için, ABD Savunma Bakanlığının araştırma kolu olan Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı (DARPA), herhangi bir kuantum hesaplama yaklaşımının 2033 yılına kadar kullanılabilir ölçekte bir işleyiş elde edip edemeyeceğini belirlemek için kısa bir süre önce Kuantum Karşılaştırma Girişimi'ni duyurdu. Gelecekteki yeniliklerin tam hızını öngörmek imkansız olsa da, bazı araştırmacılar tam ölçekli kuantum bilgisayar prototiplerinin belki on mantıksal kubit içeren bu on yılın sonuna kadar geliştirilebileceğini tahmin etmektedir. Bu tür bir başarı, iyileştirilmiş hata düzeltme yöntemleri ve daha verimli algoritmalarla birlikte, dünyayı kuantum simülasyonuna çok yakın bir noktaya taşıyacaktır.
Mevcut tahminlere göre, araştırmacıların ilk gerçek kuantum kod kırma makinesine—milyonlarca kubite ve yeterli hata düzeltme kapasitesine sahip bir kuantum bilgisayara 2030'ların sonuna kadar ulaşması olası görünmüyor. O zamana kadar bile, bu tür bir bilgisayarın tek bir büyük sayıyı faktörleştirmesi saatler alabilir. Yine de, ABD ve uluslararası ortaklarının bu teknolojiye şimdiden hazırlanması kritik önem taşıyor. Ağlar, uzun zamandır mevcut olmasına rağmen yeni güvenlik standartlarını uygulamada genellikle yavaş olmuştur. Kuantum güvenli standartlar setini geliştirmek, test etmek ve rafine etmek yıllar alacaktır. ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST), 2016'dan bu yana kuantum sonrası bir dünya için şifreleme standartları geliştirmek için bir çaba yürütmektedir. NIST, Ağustos 2024'te, şu anda tüm yayınlanmış şifre çözme yöntemlerine karşı dayanıklı olan üç klasik şifreleme algoritmasını standartlar olarak duyurdu ve bu algoritmaların şifreleme sistemlerine ve diğer ürünlere entegrasyonu için talimatlar yayınladı. Bu algoritma seti bugün tüm yayınlanmış deşifre yöntemlerine dayanıklı olsa da, gelecekte bunlardan birinin veya daha fazlasının savunmasız olması mümkün olabilir. Kamu şifrelemesinin kuantum saldırılarına karşı tam anlamıyla güvenli olamayabileceğini öne süren yeni araştırmaların ardından bu endişeler daha acil hale geldi.
Diğer yeni ve güçlü teknolojiler gibi, kuantum hesaplama büyük vaatler taşıyor, ancak aynı zamanda önemli yeni riskler de getiriyor. Büyük çapta veri hırsızlığı, ekonomik aksama ve istihbarat ihlallerine ek olarak, kuantum bilgisayarlar kimyasal silahların simülasyonu ve sentezi veya bir dizi drone’un uçuş yörünge optimizasyonu gibi kötü niyetli amaçlar için kullanılabilir. Yapay zekada olduğu gibi, kötüye kullanım veya istismar olasılığı, teknolojinin kim tarafından kontrol edilmesi ve en kötü tehditlerin nasıl hafifletileceğiyle ilgili kritik soruları gündeme getiriyor. Politika yapıcıların, ekonomik ve toplumsal kazancı maksimize ederken tehlikeleri en aza indirmenin yollarını belirlemesi gerekecek. Bu dengeleri sağlamanın en iyi yollarını bulmak, sivil toplum içinde yoğun bir tartışma ve kamuoyunun teknolojinin potansiyel kazancı ve zararlarına ilişkin anlayışını gerektirecektir. Kuantum bilgisayarlarla bir dünya için birden fazla gelecek olasıdır. En iyisi, hem teknolojinin geliştirilmesini hem de toplu yönetimini liberal demokrasilerin liderliğinde görür. En kötüsü ise, ABD ve uluslararası ortaklarının eylemsizlik veya yetersiz eylemler yoluyla yeni teknolojinin hakimiyetini Çin ve diğer otoriter ülkelerın eline bırakması olur.
KUANTUM SIÇRAMASI
Kuantum bilgisayarın mükemmelleştirilmesi cesur, iddialı ve çok yönlü bir projedir ve hiçbir şirket veya ülke bunu tek başına başaramaz. Bugünün erken dönem sistemleri bile binlerce özel parça, araç ve enstrüman; sofistike üretim ve kriyojenik tesisler; onlarca teknik alanda dünya çapında uzmanlık ve milyarlarca dolarlık araştırma-geliştirme yatırımı gerektiriyor. Yarının sistemleri ise çok daha karmaşık olacak. ABD, bu yarışta liderlik etmek ve uluslararası müttefikleriyle birlikte en gelişmiş kuantum hesaplama sistemlerini inşa etmek istiyorsa, kuantum çalışanlarının sektörler ve sınırlar arasında işbirliği yapmasına izin vermelidir. Etkili işbirliği, liberal demokrasilere daha kapalı, otoriter ülkeler üzerinde önemli bir avantaj sağlayabilir.
Bugün kuantum sistemleri üzerinde çalışan birçok şirket için kuantum işlemciler, entelektüel mülklerinin en önemli unsurlarıdır ve kendi ülkelerinde üretilmektedir: Google kuantum çiplerini ABD’de, Oxford Quantum Circuits Birleşik Krallık’ta ve Alice & Bob Fransa’da üretiyor. Her durumda, bu çipler dahili araştırma ve geliştirme içindir; bazı durumlarda, üçüncü tarafların erken prototiplere erişimine izin verilir. Yárı iletken sektöründe görüldüğü gibi, stratejik bir bileşenin yerel olarak üretim kapasitesini sürdürmek herhangi bir ülke için jeopolitik avantajlar sağlar.
Washington ve müttefikleri, güçlü kuantum hesaplama tedarik zincirleri oluşturmalıdır. Ancak işlemcilerı yerel olarak üretmek ve tam bilgisayar sistemlerini entegre etmek için gerekli yetenekler de mevcut olmalıdır. Bu, hükûmet kurumları, sanayi, araştırma ve eğitim kurumları arasında işbirliğini gerektirir. Kuantum hesaplama şirketleri, gelecekteki iş gücü ihtiyaçlarını paylaşarak ve iş başında eğitim fırsatları sunarak bu süreci destekleyebilir. Kuantum hesaplama için gereken beceri setleri son derece uzmanlaşmış olduğundan, her ülkenin—hatta herhangi bir ülkenin—tüm gerekli yetenekleri geliştirmesi mümkün olmayabilir. Kuantum hesaplama konusundaki kendi çalışmalarımız, ABD, Avrupa ve Asya-Pasifik bölgesinde 100'den fazla akademik kurum ve endüstri ortağı ile işbirliğini içermektedir. ABD ve müttefikleri, bu kritik sektördeki şirketlerin en yetenekli bilim insanlarını, mühendislerini ve teknisyenlerini istihdam etmesine olanak tanıyan vize, göç ve ihracat kontrol politikaları uygulamakta akıllı davranmalıdır. Eylül ayında ABD Ticaret Bakanlığı, ABD'de son derece yetenekli uluslararası çalışanların istihdamını kolaylaştırmak için, "varsayılan ihracat muafiyeti" dahil olmak üzere yeni kurallar açıkladı.
Washington ve uluslararası müttefikleri, kuantum hesaplamaya giden tüm alt sistemler ve bileşenler için güçlü tedarik zincirleri oluşturmalıdır. Gerekli bileşenlerin birçoğu, dünyanın farklı yerlerinde üretilmekte ve üretilmeye devam edecektir. Örneğin, süperiletken kubitler inşa etmek, Intel ve TSMC gibi şirketlere ait ileri düzey yarı iletken üretim tesislerinde kullanılan birçok aracı gerektirir; bu araçlar Fransa, Almanya, Hollanda ve ABD gibi ülkelerde üretilmektedir. Kriyojenik soğutucular, çoğu Birleşik Krallık ve AB merkezli az sayıdaki şirket tarafından sahip olunan uzmanlığı gerektirir. Kontrol elektroniği ve kablolama gibi diğer bileşenler ise İsrail, Japonya ve Tayvan’daki, ayrıca ABD ve AB’deki uzmanlaşmış şirketler tarafından tasarlanmaktadır. Bireysel ülkeler farklı parçalarda uzmanlaşabilir, ancak benzer düşünceye sahip devletler tüm bulmacayı birleştirmek ve bunu otoriter devletlerin ulaşımından uzak tutmak için birlikte çalışmalıdır.
Kuantum hesaplamanın tam potansiyeline ulaşabilmesi için, teknolojinin kullanımlarını geliştirmek için çeşitli disiplinlerden yaratıcı zihinlere ihtiyaç duyulacaktır. Teknoloji geliştiricilerini desteklemek için önceden başlatılmış birçok girişim bulunmaktadır. Bunlar arasında, potansiyel uygulama alanlarına yönelik ilerlemeyi ölçen DARPA’nın Kuantum Karşılaştırma programı ve gerçek dünya sorunları için yeni kuantum hesaplama algoritmaları oluşturmak amacıyla düzenlenen üç yıllık, 5 milyon dolarlık uluslararası bir yarışma olan XPRIZE Kuantum Uygulamaları bulunuyor. Yazılım geliştiricilerinin erişim için kolay arayüzler oluşturması, akademisyenler ve iş liderlerinin kendileri için en önemli sorunlar için bu arayüzleri kullanması ve tüketiciler ile sivil toplumun neyin onlar için en değerli olduğu konusunda geri bildirim sağlaması ile kazançlar elde edilecektir.
Tıpkı insanlı ay inişi yarışı ya da insan genomundaki tüm genlerin dizilenmesi gibi, kuantum hesaplamanın başarılı ve güvenli geliştirilmesi yalnızca bilim insanların çabalarıyla mümkün olmayacaktır. Bu, nesiller boyu kamu ve özel kaynaklarla yeteneklerin taahhüdünü ve ileri görüşlü uluslararası diplomasiyi gerektirecektir. Kuantum bilgisayarlar, ABD ve dünyanın çeşitli ülkeleri için olağanüstü fırsatlar yaratacaktır. Aynı zamanda, kötüye kullanım veya istismar potansiyeli ve dünya düzeninde olası şoklar gibi yeni riskler de ortaya koyacaktır. Bu tehlikeler yönetilebilirse, kuantum hesaplamanın insan ilerlemesini hızlandırma ve daha iyi bir gelecek inşa etme potansiyeli inanılmaz olabilir. (Foreign Affairs)
YAZARLAR HAKKINDA:
Charina Chou, Google Kuantum AI'de Direktör ve Operasyon Direktörüdür.
James Manyika, Google'da Kıdemli Başkan Yardımcısı ve Araştırma, Teknoloji ve Toplum Başkanıdır.
Hartmut Neven, Google'da Mühendislikten Sorumlu Başkan Yardımcısı ve Google Kuantum AI'nin Başkanıdır.
2010’ların sonlarından bu yana, Amerika Birleşik Devletleri ve diğer birçok gelişmiş ülke, kuantum bilgi bilimi ve teknolojisi alanında liderlik yarışına giderek daha fazla katılır hale geldi. Bu alan, kuantum bilgisayar, kuantum iletişim ve kuantum algılama teknolojilerini kapsamaktadır. Son on yılda, 20 ülkedeki hükûmetler kuantum geliştirme alanında toplam 40 milyar dolardan fazla yatırım duyurdu; sadece Çin, beş yılda 15,3 milyar dolar harcama taahhüttünde bulundu. 2016’da Pekin, kuantum teknolojilerinin geliştirilmesini ulusal öncelik olarak ilan etti ve üretim için ileri düzey merkezler kurdu. ABD ise 2018’de, ülkenin kuantum bilgi bilimi ve uygulamalarında teknolojik ve bilimsel liderliğini sürdürmeyi amaçlayan Ulusal Kuantum Girişimi’ni yasalaştırdı. ABD hükûmeti, savunma araştırma ve geliştirme çalışmalarına ek olarak 3,7 milyar dolarlık açıklanmış fon duyurdu. Devlet liderliğindeki girişimlere ek olarak, özel sektör ve akademide çok sayıda araştırma ve geliştirme çalışması yürütülmektedir.
Bu yatırımlar ABD ve uluslararası yapay zekâ fonlamasıyla kıyaslandığında hala az olsa da, kuantum teknolojisinin yükselişi şimdiden uluslararası politikayı şekillendirmeye başladı. 2019’da ABD, Japonya ile “Kuantum İşbirliği Bildirgesi“ ilan etti ve 2023’te bu bildirgeyi güçlendirdi. 2024’te Washington, yeni teknolojinin ilerletilmesi ve yönetilmesine yönelik stratejileri koordine etmek için çok taraflı bir girişim olan Kuantum Geliştirme Grubu’nu kurdu. ABD ayrıca kuantum meselelerini, Avustralya, Birleşik Krallık ve ABD arasındaki üçlü savunma paktı olan AUKUS; Avustralya, Hindistan, Japonya ve ABD arasındaki Dörtülü Güvenlik Diyaloğu (Quad); ve ABD-AB Ticaret ve Teknoloji Konseyi gibi çeşitli ekonomik ve güvenlik forumlarında görüştü. Washington’da teknolojiye yönelik artan endişeleri vurgulayan bir analist, Kasım ayında, ABD’deki başkanlık seçiminin ardından, yeni yönetimin “ABD’nin kuantum rekabetçiliğini yeniden canlandırmak için ilk 100 gün içinde hızlı hareket etmesi“ gerektiğini savundu.
Şimdiye kadar kuantum teknolojisinin ortaya çıkışı büyük ölçüde bir ulusal güvenlik meselesi olarak algılandı. 1990’lardan bu yana, araştırmacılar, güçlü bir kuantum bilgisayarın yaratabileceği en büyük tehditlerden birinin, şu anda dünyadaki en gelişmiş iletişim sistemleri ve dijital ağlarda kullanılan şifrelemeyi delebilecek bir kod kırma aracı olması olduğunu kabul etmiştir. Bu endişe, ABD hükûmetini kuantum dirençli şifreleme geliştirmeye, kuantum teknolojisi ve ilgili ürünler üzerindeki ihracat kontrollerini güçlendirmeye ve endüstri, akademi ve yerel hükûmetlerle eylem odaklı ortaklıklar kurmaya yöneltmiştir.
Ancak kod kırmayı ön planda tutan bu odaklanma, kuantum teknolojisinin diğer önemli uygulamalarını göz ardı etmelerine neden olmuştur. Aslında, kuantum makinelerinin gelişmiş şifreleme sistemlerini delebilecek kapasiteye ulaşmasından önce ki bu teknoloji geliştirildikten sonra bile büyük hesaplama gücü gerektirecektir—ekonomi’nin birçok sektöründe dönüştürürecek etkiler yaratabilirler. Enerji ve eczacılık dahil olmak üzere, kuantum teknolojileri etkili bir şekilde kullanıldığında yenilikçiliği, bilimsel keşifleri, ekonomik büyümeyi ve fırsatları teşik edebilir. İnsan üretimi üzerindeki etkileri açısından, kuantum makineleriyle elde edilebilecek bazı atılımlar, şu anda yapay zekâdan beklenenlerle karşılaştırılabilir. Bu nedenle, teknolojinin açık toplumlarda geliştirilmesi ve iyiliksever amaçlarla kullanılmasını sağlamak için net sınırlar belirlenmesi özellikle önemlidir.
Kuantum yarışını kazanmak kolay olmayacak. Çin, kuantum iletişim gibi bazı alanlarda şimdiden öncülük yapmış durumda ve önümüzdeki yıllarda, ABD’nin rekabet gücünü koruyabilmesi için odaklanmış Amerikan yeniliği ve liderliği kritik önem taşıyacaktır. ABD ve uluslararası müttefiklerinin, kuantum projelerini gerçekleştirmek için çok daha fazla kaynak ayırması ve bu projeleri desteklemek için kuantum endüstrileri ve güçlü bir kuantum tedarik zinciri geliştirmesi gerekecek. ABD ve müttefikleri bu çabaları merkezi bir stratejik hedef ve politika önceliği haline getirmezse, diplomatik etkisini, askeri gücünü ve güçlü bir yeni teknolojiyi denetleme yeteneğini kaybedebilir. Ayrıca ekonomik ve toplumsal ilerleme için yeni bir yol çizme fırsatını da kaçırabilir.
HER YERDE AYNI ANDA
Kuantum bilgisayar fikri ilk olarak teorik fizikçi ve Nobel Ödüllü Richard Feynman tarafından 1981 yılında öne sürüldü. Feynman, kuantum mekaniğinin doğuş döneminde, bilim insanlarının atomlar, elektronlar, ışık ve diğer nanoskopik nesnelerin evrendeki her şeyin yapıtaşlarının günlük yaşam nesnelerinden tamamen farklı kurallara tabi olduğunu anlamaya başladığı dönemde yetişmiştir. Örneğin, klasik mekaniğin düz kurallarını izleyen bir topun aksine, elektronlar hem parçacık hem de dalga olarak davranır ve yerleri tam olarak tanımlanamaz.
Feynman’ın öngörüsü, kuantum mekaniğini ve evrenin genel işleyişini gerçekten anlamak için aynı yasalara göre çalışan bir bilgisayar inşa etmenin gerekli olduğuydu. “Doğa klasik değil, kahretsin,“ demişti, “eğer doğanın bir simülasyonunu yapmak istiyorsanız, kuantum mekaniği kurallarını kullanmalısınız.“
Feynman’ın öngörüsü ileri görüşlüydü. Geçen 40 yıldan fazla sürede, “klasik“ tasarıma sahip bilgisayarlar dünyayı tamamen değiştirdi: Bugün cebimize sığan mobil telefonlar, 1980’lerin devasa masaüstü bilgisayarlarından bir milyon kat daha gücülüdür. Moore yasası bir bilgisayar çipindeki transistör sayısının her iki yılda bir iki katına çıkacağı öngörüsü çok sayıda sona erme tahminine rağmen yarı iletken endüstrisinde genelde geçerliliğini korudu. Ve bugün dünyanın en iyi süper bilgisayarları saniyede bir kentilyon yani bir milyar milyar işlem yapabiliyor. Ancak bu devrim olgunlaşmaya devam ettikçe, bazı hesaplamaların, dünyanın en iyi klasik bilgisayarlarıyla bile çözülemez kalacağı gittikçe daha açık hale geldi.
Bu durum, mevcut bilgisayar teknolojilerinin dayandığı temel ilke ile sınırlı olmasından kaynaklanmaktadır. İster bir abaküs, ister kişisel bir dizüstü bilgisayar, ister ulusal güvenlik tesisindeki yüksek performanslı bir makine kümesi olsun, klasik hesaplamanın tüm biçimleri, akademisyenlerin Boolean mantığı olarak adlandırdığı bir sistemi takip eder. Bu sistemde, temel bilgi birimi bir bit olup, geleneksel olarak 0 veya 1 olarak adlandırılan iki durumdan birini alabilen bir nesnedir. Bu sistem, birçok türde hesaplama için son derece verimli olduğunu kanıtlamış olsa da, bin basamaklı bir sayının çarpanlarını bulmak, yüzlerce atoma sahip bir molekülün tepkime dinamiklerini hesaplamak veya birçok alanda yaygın olan belirli türden optimizasyon problemlerini çözmek gibi aşırı karmaşıklıkta hesaplamaları gerçekleştiremez.
Buna karşılık, kuantum mekaniğinden yararlanan kuantum hesaplama, aynı sınırlamalara sahip değildir. Kuantum fiziğinin çarpıcı ve sezgilere aykırı bir dersi, parçacıkların birden fazla durumun eşzamanlı bir kombinasyonunda bulunabileceğidir. Buna uygun olarak, yalnızca ya-ya da işlemiyle çalışan bitler yerine, kuantum hesaplama, hem 0 hem de 1 durumunda aynı anda bulunabilen bir sistem olan kuantum bit (kubit) kullanır. Süperpozisyon olarak bilinen bu "aynı anda iki durum" yeteneği, daha fazla kubit birlikte çalıştığında artan büyük bir hesaplama avantajı sağlar. Klasik bir bilgisayarın bir durumu diğerinden sonra sırasıyla işlemesi gerekirken, bir kuantum bilgisayarı birçok olasılığı paralel olarak keşfedebilir. Bir labirentte doğru yolu bulmaya çalışmayı düşünün: Klasik bir bilgisayar her yolu tek tek denemek zorundayken, bir kuantum bilgisayarı birçok yolu aynı anda keşfedebilir ve belirli görevlerde kat kat daha hızlı olur. Önemli bir nokta olarak, popüler basitleştirmelerin aksine, bir kuantum bilgisayarı yalnızca paralel çalışan büyük bir klasik bilgisayar kümesi değildir. Kuantum bir işlemci aracılığıyla keşfedilebilecek üstel sayıda olası cevap olmasına rağmen, sonunda yalnızca bir kombinasyon ölçülebilir. Bu nedenle, kuantum bir bilgisayardan bir çözüm elde etmek, doğru cevabı güçlendiren akıllıca bir programlama gerektirir.
En büyük zorluklardan biri, anlamlı problemler için tutarlı sonuçlar üretecek kadar büyük ve kararlı kuantum işlemciler geliştirmektir. Bu tür işlemciler çevrelerine son derece duyarlıdır ve sıcaklık değişiklikleri, titreşimler ve diğer bozulmalardan kolayca etkilenebilir; bu da sistemde çeşitli hatalara yol açabilir. Hesaplama doğruluğu, kubitlerin koheransını korumasına bağlı olduğundan, araştırmacılar, kubit kalitesini artırmaya yönelik yeni tasarımlar, çip üretim süreçleri ve kubit hatalarını düzeltmek için teknikler gibi yöntemlere yoğun bir şekilde yatırım yapmaktadır.
Günümüzde, her biri kendi avantaj ve dezavantajlarına sahip çok sayıda kubit tasarım yaklaşımı bulunmaktadır. İlke olarak, atomlar, moleküller, iyonlar ve fotonlar gibi herhangi bir kuantum mekanik sistemi bir kubite dönüştürülebilir. Ancak, pratikte üretilebilirlik, kontrol edilebilirlik, performans ve hesaplama hızı gibi faktörler en uygulanabilir yolları belirler. Günümüzde önde gelen çabalar arasında süperiletken, nötr atom, fotonik ve iyon kapanı kubitleri yer almaktadır. Bu erken aşamada, hangilerinin başarılı olacağı belirsizdir. İşlemciyi geliştirmekten öte, diğer zorluklar arasında kubitlerin nasıl paketleneceği, sinyallerinin nasıl iletileceği ve uygulamaların nasıl çalıştırılacağı yer almaktadır. Araştırmacılar, süperiletken kubitleri mutlak sıfırın bin derecesi üzerinde bir seviyeye kadar soğutabilen kriyojenik soğutucular kullanmalıdır; bu, çalışma için ultra soğuk, karanlık ve sessiz bir ortam sağlar. Bu yüksek düzeyde uzmanlaşmış bileşenler için gereken uzmanlık, birçok ülkedeki farklı kaynaklardan gelir. Bugün, Amazon, Google, IBM ve QuEra gibi çeşitli "tam yığın" kuantum hesaplama şirketleri, bileşenleri nihai bir ürüne entegre etmeye çalışmaktadır. Kısacası, kuantum hesaplama bugün çok sayıda zorluk ve belirsizlikle karşı karşıyadır ve sürekli gelişim, bir dizi mühendislik yeniliği gerektirecektir. Açık olan şu ki, bu yaklaşımların herhangi birinin başarılı olması için güvenilir, ölçeklenebilir ve maliyet açısından etkili olmaları gerekmektedir.
YENİ CEVAP MAKİNELERİ
Tam ölçekli bir kuantum bilgisayara ulaşma yarışı birden fazla motivasyonla yönlendirilmektedir. En temelde, kuantum hesaplama, dünyanın en iyi klasik bilgisayarlarının çözmesi eonlar alacak problemleri daha önce çözülemez olarak düşünülen bilmeceleri cevaplama sözü verir. Bu tür problemlerin en iyi bilinenı, bir sayının birçok daha küçük sayının çarpımı olarak ifade edilmesi anlamına gelen tamsayı faktörleştirme problemidir: En hızlı süper bilgisayarlar bile çok büyük sayıları faktörleştiremez. Bu, faktörleştirmeye dayanan en gelişmiş şifreleme türlerinin şu an kırılamaz olduğu anlamına gelmektedir. Ancak kuantum bilgisayarlar bunu değiştirebilir.
1994 yılında, bilgisayar bilimcisi Peter Shor, bir kuantum bilgisayarın çok büyük sayıları faktörleştirebileceğini kanıtladı. O dönemde böyle bir bilgisayar tamamen teorik bir kavram olarak kalmaktaydı, ancak teknoloji gelişmeye başladıkça Shor’un bu öngörüsü, kuantum işlemcilerin bir gün en gelişmiş şifreleme sistemlerini bile kırabilecek kapasitede olabileceği yönünde endişeler uyandırdı. Bugün ulusal güvenlik uzmanları, düşman devletlerin ve özel aktörlerin yeni teknolojinin gelişimini öngörerek halihazırda şifrelenmiş bilgileri topladığını„şimdi depola, sonra şifreyi kır‟ yaklaşımı düşünmektedir.
Ancak, şifre kırma, kuantum bilgisayarların olası uygulamalarından yalnızca biridir ve muhtemelen daha on yıllar uzaklıktadır. Feynman’ın sezdirdiği gibi, kuantum tabanlı hesaplama için daha bariz kullanımlar, elektronlar, moleküller ve malzemeler gibi kuantum sistemlerinin hassas hesaplamalarını yapma yeteneğine yani kuantum simülasyonuna ilişkindir ve bu uygulamalar daha erken kullanıma sunulabilir. Kuantum işlemciler şimdiden fizik alanındaki oldukça özel bazı alanlarda kuaziparçacık mühendisliği, çoklu-parçacık dinamikleri, spin taşınması, metál taşınması, zaman kristalleri, solucan deliği dinamikleri ve manyetizasyon keşlere katkıda bulunmaktadır. Tam ölçekli, tam kapasiteye sahip bir kuantum bilgisayar ile imkanlar çok çarpıcıdır. Tarım gübrelerini düşünün. Günümüzde, azot sabitleme azot gazından amonyak üretmek için gereken kimyasal işlem çok yoğun enerji gerektirir ve dünyanın yıllık enerji bütçesinin yaklaşık yüzde ikisini oluşturur. Bunun nedeni, bu tepkimede kullanılan endüstriyel katalizörlerin son derece verimsiz olmasıdır. Aslında, biyolojik azot sabitleme için bir katalizör olan doğal olarak meydana gelen FeMoco molekülü çok daha verimlidir, ancak endüstriyel ölçekte kimyasal olarak sentezlenemez veya izole edilemez ve etki mekanizmasını açıklamak mevcut hesaplama teknolojisi için çok zorlayıcı olmuştur. Ancak kuantum bilgisayarlarla, araştırmacılar FeMoco’nun reaksiyon mekanizmasını öğrenmek için gerekli olan zor hesaplamaları yapabilir ve FeMoco’dan esinlenen katalizörler tasarlayarak büyük miktarda enerji tasarrufu sağlayabilir.
Eczacılığı düşünün. İlaç moleküllerinin vücuttaki moleküllerle etkili bir şekilde etkileşimde bulunması gerekir. Cytochrome P450’nin davranışını—ilaç metabolizmasından büyük ölçüede sorumlu olan ve bu nedenle hastaların ilaca nasıl yanıt vereceğini belirleyen bir enzim ailesi—simüle etmek için klasik bilgisayarlar devasa miktarda hesaplama gücü gerektirirdi. Kuantum bilgisayarlarla bu çok daha verimli bir şekilde yapılabilir ve önemli hastalıklarla mücadele yeniliklerine yol açabilir. Kimya ve malzeme endüstrilerinde, kuantum hesaplama elektrikli arabalar için daha verimli bataryalar ve gemiler için paslanmaz malzemeler tasarlanmasına yön verebilir. Kuantum bilgisayarlar ayrıca nükleer füyon reaktörlerini sürdürülebilir bir enerji kaynağına dönüştürme sorununu çözmede yardımcı olabilir.
Bir diğer umut verici uygulama alanı makine öğrenmesidir. Elektronik, manyetik ve bir kuantum sisteminin davranışını tanımlayan diğer bilgilerden oluşan kuantum veriler üzerinde eğitilen klasik bilgisayarların muazzam miktarda veri ve işlem süreleri gerektirdiği bir durum söz konusudur. Buna karşın, kuantum bilgisayarları kuantum veriler üzerinde eğitilirse, bir görevi öğrenmek için üssel olarak daha az örneğe ihtiyaç duyar. Bu kadar büyük verimlilik artışı ile bu makineler, sayısız kimyasal ve malzemenin davranışını öğrenmek ve tahmin etmek için kullanılabilir. Şu anda, kuantum bilgisayarların bugünün yapay zekâ sistemlerinin temelini oluşturan metin, ses ve video verileri gibi klasik verilerden öğrenme konusunda bir avantaj sağlayıp sağlamayacağı belirsizdir. Ancak kuantum hesaplama, klasik yapay zekâdaki ilerlemelerden zaten faydalanıyor: Araştırmacılar, kuantum cihazları tasarlamaya, yazılım geliştirmeye ve kuantum hata düzeltmeyi iyileştirmeye yardımcı olmak için büyük dil modelleri, dönüştürücüler ve diğer yapay zekâ mimarilerinden yararlanıyor.
Elbette, kuantum bilgisayarların, kendileri de kuantum mekanik olan uygulamalarda doğal bir avantaja sahip olması gerektiği mantıklı bir varsayımdır. Daha az belirgin olan ise şu ana kadar kanıtlanmış olan kuantum bilgisayarların faktörleştirme gibi bazı türden kuantum mekanik olmayan problemleri çözmede dramatik kazanmalar sunabileceğidir. Aslında, araştırmacılar ve matematikçiler, kuantum bilgisayarların sorunları klasik bilgisayarlardan çok daha hızlı çözmesini sağlayan 60 algoritma keşfetti. Bu hızlanmaların bazıları, yukarıdaki örneklerde gösterildiği gibi üssel boyutta iken; diğerleri daha az dramatik olsa da yine de klasik bilgisayarların üzerinde önemli kazanmalar sağlamaktadır.
Yoğun bir araştırma alanı optimizasyon çalışmalarıdır. Bir dizi değişken verildiğinde, optimizasyon en verimli çözümü bulmaya çalışır ve finans planlayıcıları, nakliye lojistiği yöneticileri ve sporcuları eğitenler gibi birçok kişi tarafından kullanılır. Optimizasyon aynı zamanda yapay zekâ sistemlerinin merkezinde yer alır. Optimizasyon hesaplamalarının küresel ekonomi için ne kadar önemli olduğu düşünüldüğünde, bunların sadece bir kısmının çok daha hızlı, ucuz ve daha az enerjiyle gerçekleştirilmesi bile etkisi ölçülemez olurdu.
DAHA HIZLI MAKİNELER, DAHA BÜYÜK RİSKLER
Kuantum hesaplamanın olasılıkları ilham verici olsa da, teknolojinin mevcut sınırları gerçeği gözler önüne seriyor. Bugünün seviyesinden, en umut verici uygulamalarından bazıları için gereken gelişmiş sistemlere ulaşmak, son derece karmaşık bileşenleri entegre etmeyi ve sayısız zorluğu aşmayı gerektirecektir. Sonuç olarak, öngörülen uygulamaların birçoğu hala yıllar uzağta olabilir. Örneğin, şu anki tahminlere göre bir kod kırma kapasitesine sahip bir kuantum bilgisayarı, mevcut en iyi prototiplerle karşılaştırıldığında yaklaşık 40.000 kat daha fazla fiziksel kubit ve fiziksel hata oranlarında beş kat azalma gerektirecektir. Basit kimya hesaplamaları yapabilen kuantum bilgisayarlar, maliyet açısından yaklaşık iki büyüklük mertebesi daha düşük olsa da, onlar da çok daha gelişmiş teknolojilere bağlı olacaktır.
Kuantum gelişiminin mevcut durumunu değerlendirmek için Google'ın 2018'de yayınladığı yol haritasından yararlanılabilir. Bu plan, tam ölçekli bir kuantum bilgisayar elde etmek için gereken altı teknik hedef öngörmüştür: Bir kuantum işlemcisinin bir ilk görevde klasik bir bilgisayardan daha iyi performans gösterebileceğini kanıtlamak; bir mantıksal kubit prototipi geliştirmek; gerçek bir mantıksal kubit göstermek; birden fazla mantıksal kubit arasında işlemler için mantıksal bir kapı inşa etmek; basit kuantum simülasyonları için başlangıç noktalarından biri olarak kabul edilen 100 mantıksal kubit üretmek; ve daha karmaşık simülasyonlar için 1.000 mantıksal kubit üretmek. (Bir kod kıran bilgisayar daha gelişmiş yetenekler gerektirecektir.) Google, bu hedeflerden ilk ikisini başarıyla tamamladı ve Aralık 2024'te bugünün en hızlı süper bilgisayarının 10²⁵ yıl alacak bir ölçüt algoritmasını dakikalar içinde çözebilen yeni kuantum işlemcisi Willow'u duyurdu. IBM, IonQ ve QuEra dahil olmak üzere diğer kuruluşlar, büyük ölçekli hata düzeltmeli bir kuantum bilgisayara yönelik kendi yol haritalarını yayınladı. Çinli araştırmacılar, özellikle Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nde, Google'ın ilk hedefine ulaştı ve yüzlerce kubite sahip işlemciler gösterdi. Alanın diğer oyuncuları gibi, Çinli araştırmacıların henüz kamuya açıklanmadığı başka önemli gelişmeleri olduğuna şüphe yoktur.
Kuantum yarışının mevcut durumunu değerlendirmek için, ABD Savunma Bakanlığının araştırma kolu olan Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı (DARPA), herhangi bir kuantum hesaplama yaklaşımının 2033 yılına kadar kullanılabilir ölçekte bir işleyiş elde edip edemeyeceğini belirlemek için kısa bir süre önce Kuantum Karşılaştırma Girişimi'ni duyurdu. Gelecekteki yeniliklerin tam hızını öngörmek imkansız olsa da, bazı araştırmacılar tam ölçekli kuantum bilgisayar prototiplerinin belki on mantıksal kubit içeren bu on yılın sonuna kadar geliştirilebileceğini tahmin etmektedir. Bu tür bir başarı, iyileştirilmiş hata düzeltme yöntemleri ve daha verimli algoritmalarla birlikte, dünyayı kuantum simülasyonuna çok yakın bir noktaya taşıyacaktır.
Mevcut tahminlere göre, araştırmacıların ilk gerçek kuantum kod kırma makinesine—milyonlarca kubite ve yeterli hata düzeltme kapasitesine sahip bir kuantum bilgisayara 2030'ların sonuna kadar ulaşması olası görünmüyor. O zamana kadar bile, bu tür bir bilgisayarın tek bir büyük sayıyı faktörleştirmesi saatler alabilir. Yine de, ABD ve uluslararası ortaklarının bu teknolojiye şimdiden hazırlanması kritik önem taşıyor. Ağlar, uzun zamandır mevcut olmasına rağmen yeni güvenlik standartlarını uygulamada genellikle yavaş olmuştur. Kuantum güvenli standartlar setini geliştirmek, test etmek ve rafine etmek yıllar alacaktır. ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST), 2016'dan bu yana kuantum sonrası bir dünya için şifreleme standartları geliştirmek için bir çaba yürütmektedir. NIST, Ağustos 2024'te, şu anda tüm yayınlanmış şifre çözme yöntemlerine karşı dayanıklı olan üç klasik şifreleme algoritmasını standartlar olarak duyurdu ve bu algoritmaların şifreleme sistemlerine ve diğer ürünlere entegrasyonu için talimatlar yayınladı. Bu algoritma seti bugün tüm yayınlanmış deşifre yöntemlerine dayanıklı olsa da, gelecekte bunlardan birinin veya daha fazlasının savunmasız olması mümkün olabilir. Kamu şifrelemesinin kuantum saldırılarına karşı tam anlamıyla güvenli olamayabileceğini öne süren yeni araştırmaların ardından bu endişeler daha acil hale geldi.
Diğer yeni ve güçlü teknolojiler gibi, kuantum hesaplama büyük vaatler taşıyor, ancak aynı zamanda önemli yeni riskler de getiriyor. Büyük çapta veri hırsızlığı, ekonomik aksama ve istihbarat ihlallerine ek olarak, kuantum bilgisayarlar kimyasal silahların simülasyonu ve sentezi veya bir dizi drone’un uçuş yörünge optimizasyonu gibi kötü niyetli amaçlar için kullanılabilir. Yapay zekada olduğu gibi, kötüye kullanım veya istismar olasılığı, teknolojinin kim tarafından kontrol edilmesi ve en kötü tehditlerin nasıl hafifletileceğiyle ilgili kritik soruları gündeme getiriyor. Politika yapıcıların, ekonomik ve toplumsal kazancı maksimize ederken tehlikeleri en aza indirmenin yollarını belirlemesi gerekecek. Bu dengeleri sağlamanın en iyi yollarını bulmak, sivil toplum içinde yoğun bir tartışma ve kamuoyunun teknolojinin potansiyel kazancı ve zararlarına ilişkin anlayışını gerektirecektir. Kuantum bilgisayarlarla bir dünya için birden fazla gelecek olasıdır. En iyisi, hem teknolojinin geliştirilmesini hem de toplu yönetimini liberal demokrasilerin liderliğinde görür. En kötüsü ise, ABD ve uluslararası ortaklarının eylemsizlik veya yetersiz eylemler yoluyla yeni teknolojinin hakimiyetini Çin ve diğer otoriter ülkelerın eline bırakması olur.
KUANTUM SIÇRAMASI
Kuantum bilgisayarın mükemmelleştirilmesi cesur, iddialı ve çok yönlü bir projedir ve hiçbir şirket veya ülke bunu tek başına başaramaz. Bugünün erken dönem sistemleri bile binlerce özel parça, araç ve enstrüman; sofistike üretim ve kriyojenik tesisler; onlarca teknik alanda dünya çapında uzmanlık ve milyarlarca dolarlık araştırma-geliştirme yatırımı gerektiriyor. Yarının sistemleri ise çok daha karmaşık olacak. ABD, bu yarışta liderlik etmek ve uluslararası müttefikleriyle birlikte en gelişmiş kuantum hesaplama sistemlerini inşa etmek istiyorsa, kuantum çalışanlarının sektörler ve sınırlar arasında işbirliği yapmasına izin vermelidir. Etkili işbirliği, liberal demokrasilere daha kapalı, otoriter ülkeler üzerinde önemli bir avantaj sağlayabilir.
Bugün kuantum sistemleri üzerinde çalışan birçok şirket için kuantum işlemciler, entelektüel mülklerinin en önemli unsurlarıdır ve kendi ülkelerinde üretilmektedir: Google kuantum çiplerini ABD’de, Oxford Quantum Circuits Birleşik Krallık’ta ve Alice & Bob Fransa’da üretiyor. Her durumda, bu çipler dahili araştırma ve geliştirme içindir; bazı durumlarda, üçüncü tarafların erken prototiplere erişimine izin verilir. Yárı iletken sektöründe görüldüğü gibi, stratejik bir bileşenin yerel olarak üretim kapasitesini sürdürmek herhangi bir ülke için jeopolitik avantajlar sağlar.
Washington ve müttefikleri, güçlü kuantum hesaplama tedarik zincirleri oluşturmalıdır. Ancak işlemcilerı yerel olarak üretmek ve tam bilgisayar sistemlerini entegre etmek için gerekli yetenekler de mevcut olmalıdır. Bu, hükûmet kurumları, sanayi, araştırma ve eğitim kurumları arasında işbirliğini gerektirir. Kuantum hesaplama şirketleri, gelecekteki iş gücü ihtiyaçlarını paylaşarak ve iş başında eğitim fırsatları sunarak bu süreci destekleyebilir. Kuantum hesaplama için gereken beceri setleri son derece uzmanlaşmış olduğundan, her ülkenin—hatta herhangi bir ülkenin—tüm gerekli yetenekleri geliştirmesi mümkün olmayabilir. Kuantum hesaplama konusundaki kendi çalışmalarımız, ABD, Avrupa ve Asya-Pasifik bölgesinde 100'den fazla akademik kurum ve endüstri ortağı ile işbirliğini içermektedir. ABD ve müttefikleri, bu kritik sektördeki şirketlerin en yetenekli bilim insanlarını, mühendislerini ve teknisyenlerini istihdam etmesine olanak tanıyan vize, göç ve ihracat kontrol politikaları uygulamakta akıllı davranmalıdır. Eylül ayında ABD Ticaret Bakanlığı, ABD'de son derece yetenekli uluslararası çalışanların istihdamını kolaylaştırmak için, "varsayılan ihracat muafiyeti" dahil olmak üzere yeni kurallar açıkladı.
Washington ve uluslararası müttefikleri, kuantum hesaplamaya giden tüm alt sistemler ve bileşenler için güçlü tedarik zincirleri oluşturmalıdır. Gerekli bileşenlerin birçoğu, dünyanın farklı yerlerinde üretilmekte ve üretilmeye devam edecektir. Örneğin, süperiletken kubitler inşa etmek, Intel ve TSMC gibi şirketlere ait ileri düzey yarı iletken üretim tesislerinde kullanılan birçok aracı gerektirir; bu araçlar Fransa, Almanya, Hollanda ve ABD gibi ülkelerde üretilmektedir. Kriyojenik soğutucular, çoğu Birleşik Krallık ve AB merkezli az sayıdaki şirket tarafından sahip olunan uzmanlığı gerektirir. Kontrol elektroniği ve kablolama gibi diğer bileşenler ise İsrail, Japonya ve Tayvan’daki, ayrıca ABD ve AB’deki uzmanlaşmış şirketler tarafından tasarlanmaktadır. Bireysel ülkeler farklı parçalarda uzmanlaşabilir, ancak benzer düşünceye sahip devletler tüm bulmacayı birleştirmek ve bunu otoriter devletlerin ulaşımından uzak tutmak için birlikte çalışmalıdır.
Kuantum hesaplamanın tam potansiyeline ulaşabilmesi için, teknolojinin kullanımlarını geliştirmek için çeşitli disiplinlerden yaratıcı zihinlere ihtiyaç duyulacaktır. Teknoloji geliştiricilerini desteklemek için önceden başlatılmış birçok girişim bulunmaktadır. Bunlar arasında, potansiyel uygulama alanlarına yönelik ilerlemeyi ölçen DARPA’nın Kuantum Karşılaştırma programı ve gerçek dünya sorunları için yeni kuantum hesaplama algoritmaları oluşturmak amacıyla düzenlenen üç yıllık, 5 milyon dolarlık uluslararası bir yarışma olan XPRIZE Kuantum Uygulamaları bulunuyor. Yazılım geliştiricilerinin erişim için kolay arayüzler oluşturması, akademisyenler ve iş liderlerinin kendileri için en önemli sorunlar için bu arayüzleri kullanması ve tüketiciler ile sivil toplumun neyin onlar için en değerli olduğu konusunda geri bildirim sağlaması ile kazançlar elde edilecektir.
Tıpkı insanlı ay inişi yarışı ya da insan genomundaki tüm genlerin dizilenmesi gibi, kuantum hesaplamanın başarılı ve güvenli geliştirilmesi yalnızca bilim insanların çabalarıyla mümkün olmayacaktır. Bu, nesiller boyu kamu ve özel kaynaklarla yeteneklerin taahhüdünü ve ileri görüşlü uluslararası diplomasiyi gerektirecektir. Kuantum bilgisayarlar, ABD ve dünyanın çeşitli ülkeleri için olağanüstü fırsatlar yaratacaktır. Aynı zamanda, kötüye kullanım veya istismar potansiyeli ve dünya düzeninde olası şoklar gibi yeni riskler de ortaya koyacaktır. Bu tehlikeler yönetilebilirse, kuantum hesaplamanın insan ilerlemesini hızlandırma ve daha iyi bir gelecek inşa etme potansiyeli inanılmaz olabilir. (Foreign Affairs)
YAZARLAR HAKKINDA:
Charina Chou, Google Kuantum AI'de Direktör ve Operasyon Direktörüdür.
James Manyika, Google'da Kıdemli Başkan Yardımcısı ve Araştırma, Teknoloji ve Toplum Başkanıdır.
Hartmut Neven, Google'da Mühendislikten Sorumlu Başkan Yardımcısı ve Google Kuantum AI'nin Başkanıdır.
(Çeviren: Büşra BÜYÜK)
