Pek çok uzman, kuantum bilgisayarların yararlı sorunları çözecek kadar büyük ve güvenilir olduğunda, en yaygın dağıtım mimarisinin bunların süper bilgisayarlar için hızlandırıcı görevi görmesi olacağına inanıyor. Bu mimari üzerinde çalışacak çeşitli algoritmalar halihazırda geliştirilmiştir; bunlardan en ünlüsü, bir gün günümüzün açık anahtarlı kripto sistemlerinin çoğunu kıracak olan Shors algoritmasıdır.
Finlandiya’da bu düzenlemeyi denemek için Finlandiya Teknik Araştırma Merkezi (VTT), Avrupa’nın en hızlı süper bilgisayarı olan LUMI’yi çalıştıran CSC ile işbirliği yaptı. VTT ve CSC, kullanıcıların her iki bilgisayar türünden de en iyi şekilde yararlanacak algoritmaları denemelerine olanak sağlamak için giderek daha büyük kuantum bilgisayarları LUMI’ye bağlıyor. Klasik bilgisayar, verilerin çoğunu saklar ve algoritmadaki adımların çoğunu yürütür, diğer adımları kuantum bilgisayara devreder ve ardından sonuçları okur.
VTT’nin ilk kuantum bilgisayarı 2021’de tamamlandı ve 5 kübit kullanıldı. Daha sonra geçen yıl 20 kübite yükselttiler ve 2024 sonuna kadar 50 kübite ulaşmayı hedefliyorlar. Üniversiteler ve araştırma kuruluşları, önemsiz sorunları çözmek için hibrit hizmeti kullanmaya başladı bile.
Kuantum algoritmaları ve yazılımları geliştiren VTT ekibinin lideri Ville Kotovirta, “Bu bir nevi gelecek için bir prova” diyor. “Süper hesaplama algoritmaları geliştiren kişilerin, daha büyük bir kuantum bilgisayar klasik bir bilgisayarla birlikte çalıştığında neler yapabileceklerini düşünmeye başlamalarına olanak tanıyor. Yazma algoritmaları uygulamak için mevcut hizmeti kullanabilirler.”
Kotovirta, “Avrupa’da hibrit konfigürasyonu ilk kuran bizdik, ancak diğerleri de bizi takip ediyor” diyor. Haziran 2023’te Avrupa HPC ortak girişimi, benzer mimariler inşa etmeye yönelik altı projeyi daha kabul etti. Bunlar Çekya, Fransa, Almanya, İtalya, Polonya ve İspanya’da olacak.
Yeni algoritma sınıfları geliştirmek
Kotovirta, kuantum algoritmaları araştırmalarından ve VTT’nin kuantum hesaplamasına erişimi sağlayacak yazılımın geliştirilmesinden sorumludur. İşinin bir parçası da yeni yetenekleri işe almak, bunun da kolay olmadığını söylüyor. Halihazırda Finlandiya’da bulunan mezun öğrencilerden bazıları kuantum bilişimle ilgileniyor ancak gerçek dünya deneyimine sahip değiller.
Finlandiya’da iş deneyimi olan kişilerin zaten ekosistemin başka bir yerinde işi var ve Finlandiya dışından gelen insanlar soğuk bir iklime geçmek konusunda tereddütlü. Bununla birlikte, dışarıdan bazı kişiler Finlandiya ekosisteminden, hava durumuyla ilgili olabilecek endişelerin üstesinden gelebilecek kadar etkilendiler.
Kotovirta, “Hepimiz öğreniyoruz çünkü bu yeni bir alan ve sürekli değişiyor” diyor. “Yeni icatlar, yeni platformlar, yeni cihazlar, yeni algoritmalar ve yeni programlama yolları var. Buna ayak uydurabilmek için matematikçileri, fizikçileri ve bilgisayar bilimcilerini işe almaya çalışıyoruz.”
Kotovirta’nın ekibi hibrit mimariler için çeşitli algoritma türleri geliştiriyor. Bunlardan biri, kuantum tavlama veya kuantum yaklaşık optimizasyon algoritmaları (QAOA’lar) kullanılarak çözülebilen, ikinci dereceden sınırlandırılmamış ikili optimizasyon (QUBO) adı verilen bir dizi optimizasyon problemidir.
“Grafik verilerini analiz etmek ve ağların topluluk yapısını belirlemek için kuantum algoritmaları geliştirdik” diyor. “Veriler teknolojik veya biyolojik ağ sistemleri gibi karmaşık ağlardan geliyor.”
Ekip aynı zamanda molekül simülasyonlarını iyileştirmek için moleküler Hamiltonyen’in karmaşıklığını azaltmaya odaklanarak kuantum kimyası için algoritmalar geliştiriyor. Benzer şekilde, istenen bazı özelliklere sahip yeni proteinler ürettikleri sentetik biyoloji üzerinde de çalışıyorlar.
Odaklanılan diğer bir alan ise kuantum makine öğrenimi, özellikle de yeni örnekler üretmek için mevcut verilerden öğrenen modeller olan kuantum üretken makine öğrenmesidir.
Kotovirta, “Çoğu insan üretken yapay zekanın ‘sahte yapay zeka’ bağlamında görüntü, metin ve ses oluşturmak için kullanıldığını duymuştur” diyor. “Aynı teknikler bilime de uygulanabilir; halihazırda var olan bir şeyden öğrenerek yeni bir şey yaratılabilir. Yeni proteinler üretmek için kuantum hesaplamayla bu teknikleri geliştirmenin yollarını buluyoruz.”
Ülkeyi kuantum bir gelecek için konumlandırmak
Kotovirta, “En zor kısım kuantum makinelerinin klasik muadillerine göre avantajlara sahip olduğunu kanıtlamak” diyor. “Mevcut kuantum bilgisayarlar gerçek bilgisayarlardır ve gerçek hesaplamalar yapabilir ve gerçek sorunları çözebilirler.
“Bu anlamda zaten faydalı işler yapıyorlar ama sorun boyutların çok küçük olması. Çünkü mevcut sistemler klasik muadillerine göre verimsiz. Kuantum bilgisayarların bir şeyi klasik bilgisayarlardan daha verimli bir şekilde çözebilmesi için aslına uygunlukların artması gerekiyor.”
Sadakat, kuantum bilgisayardaki tek bir işlemin başarı oranını ifade eder. Aslına uygunluk ne kadar yüksek olursa, genel hesaplamanın başarı oranı da o kadar iyi olur. Şu anda, kuantum cihazlarının klasik bilgisayarların simüle etmekte zorlandığı şeyleri simüle edebildiğini zaten göstermiş olan, gürültülü orta ölçekli kuantum (NISQ) cihazları çağındayız. Ancak şu ana kadar elde edilen sonuçlar o kadar önemsiz ki gerçek sorunları çözmüyorlar.
Kotovirta, “Doğruluklar geliştikçe, fayda ölçeğinde algoritmalar ve fayda ölçeğinde kuantum hesaplama çağına yaklaşıyoruz” diyor. “Bu, aslına uygunluk, kullandığınız cihazın topolojisine göre uyarlanmış belirli algoritmaları çalıştıracak kadar iyi olduğunda gerçekleşecek. Bu bize klasik bilgisayarların kopyalayamayacağı ancak yalnızca çok özel kullanım durumları için sonuçlar verecek.”
Bu algoritmalar, örneğin malzeme bilimleri veya kimya ile ilgili kuantum sistemlerini simüle etmek için kullanılabilir. Genel kuantum avantajını iddia edemeseniz de, bu özel kullanım durumları için avantajınızı gösterebilirsiniz. Finlandiya’nın stratejisi, çok da uzak olmayan bir gelecekte kuantum avantajının elde edilebileceği kullanım durumları aracılığıyla dünya sahnesinde bir fark yaratmaktır.
Küçük ülkelerin büyük ekonomilerle rekabet etmesi kolay değil. Ancak bir veya daha fazla spesifik alanda küresel ölçekte aktif olarak katkıda bulunmalarına olanak tanıyan bir niş bulmaları mümkündür. Bu anlamda doğru işler yapıyoruz dedi. “İnşallah bundan sonra da aynı şekilde devam edeceğiz”