Bu haberde biraz bilgisayar bilimi ama bol bol parçacık fiziğinden söz edilecek. Ha, bir de 1938 yılında Sicilya Adasında esrarengiz biçimde ortadan kaybolan bir dahiden.
Önce bilgisayar bilimi…
10Haber’i okuduğunuz cep telefonunuz, tabletiniz veya bilgisayarınız aynı prensiple çalışıyor:
Diyelim ki iPhone 15 model bir telefonda okuyorsunuz, elinizdeki telefonun içinde 4,5 milyardan biraz fazla transistör var. Bunlar o kadar küçükler ki, elinizdeki cihazın içine sığdılar.
Her bir transistörü odanızın lambasını açıp kapatan elektrik anahtarı gibi düşünebilirsiniz. Bu transistörler eğer açıksa 1, kapalıysa 0 anlamına geliyor ve bilgisayarlardaki 0 ve 1’ler işte böyle oluşuyor.
0 veya 1’den oluşan her bir “bilgi birimi”ne “bit” adı veriliyor. Megabit’ler, Gigabit’ler, Terabit’ler o bilginin büyüklüğünü ifade ediyor.
Schrödinger’in kedisini anmadan olmaz
Şimdi yavaşça fiziğe doğru geçiyoruz.
Bu bilgisayarların yanında bir de yeni yeni gelişmekte olan kuantum bilgisayarı var.
Normal bilgisayarlardaki “bit”ler, ya 0 ya 1’i ifade ediyor. Ama kuantum mekaniğinde “kuantum süper pozisyonu” adı verilen bir durum var. Bir gözlem yapılana kadar kuantum parçacığının aynı anda hem 0 hem 1 olması anlamında.
Meşhur Schrödinger’in kedisini hatırlayın. Kutunun içindeki kedinin biz kutuyu açıp bakana kadar hayatta mı yoksa ölü mü olduğunu bilmemize imkan yoktu. O yüzden onu aynı anda hem hayatta hem de ölü kabul etmemiz gerekiyordu. “Kuantum süper pozisyonu” bu.
1981’de Richard Feynman önermişti
Dahi bir bilim insanı, Nobel ödüllü fizikçi Richard Feynman, kuantum mekaniğinin bu tuhaf özelliğinin bir işe yarayabileceğini, bu özellik sayesinde “kuantum bilgisayarı” yapılabileceğini söyledi bir seferinde.
Bunu 1981’de Amerikalı lise fen bilimi öğretmenlerine yaptığı bir konuşmada söyledi Feynman ve o kadar ikna edici anlattı ki kuantum bilgisayarın olabilirliğini, fizikçiler çalışmaya başladılar ve aradan onyıllar geçtiğinde bugün dünyada çalışır durumda olan kuantum bilgisayarlar var artık. Hatta bir tanesi de daha geçen ay Ankara’da hizmete girdi.
Peki ama nedir bu ‘kübit’ ve ‘bit’ten farkı ne?
İşte o kuantum bilgisayarlar “bit” yerine, yani mutlak değeri 0 veya 1 olan bilgi birimleri yerine “kubit” adı verilen bir başka birimi kullanıyorlar.
Bir “bit”te 0 veya 1, yani toplam 2 pozisyon var. Ama buna karşılık 1 kübitte dört olası pozisyon var. Klasik bilgisayarda 2 “bit”e çıktığınızda 4 olası durum oluşuyor ama kuantum bilgisayarında 3 kübite çıktığınızda büyüme üssel olur, yani 2 üzeri 3 değerine ulaşır, 8 olası durumu konuşuyor oluruz. 4 kübite çıktığınızda 2 üzeri 4 olur.
Bu meşhur fıkraya benzer. Köylü satrancı icat eder krala götürür. Oyun kralın çok hoşuna gider, “dile benden ne dilersen” der. Köylü ilk karede 1 buğday tanesi, ikincide iki, üçüncüde 4 tane, dördüncüde 8 tane ister. Satranç tahtasında 64 kare var. Son kareye geldiğinizde dünyadaki bütün buğdaylar bile yetmez olur, o kadar büyür yani.
Google’ın iddiası: 105 kübitlik kuantum bilgisayar
İşte kuantum bilgisayarın kübitleri de böyle, kübit sayısı arttıkça muazzam bir işlem gücü ortaya çıkmaya başlıyor ve bir noktadan sonra en üstün görülen klasik bilgisayar bile ona yetişemez hale geliyor. İşte Google Aralık ayında Willow adlı kuantum çipini tanıttı, söylediklerine göre içinde 105 kübit var.
Henüz Google’ın bu iddiası bağımsız kişilerce doğrulanmadı ama dünyada gerçekten çok güçlü bazı kuantum bilgisayarlar her gün çalışıyor.
Kübitleri çoğaltmak çok zor
Yalnız bir büyük zorluk var kuantum bilgisayar açısından. Zaten o zorluk yüzünden kübit sayısı çok yavaş yavaş artıyor. Bir kübiti işler durumda tutmak (teknik ayrıntılara girip sizi boğmayacağım) çok ama çok zor. Bir taneyi sürekli süper pozisyonda tutmak zorken onlarcasını öyle tutmak iyice zor. Bunun için devasa binalar ve evrenin en soğuk yerinden daha soğuk minik odalar kurmak gerekiyor.
Çünkü bir kübiti sağlamak için mesela atomun içindeki elektron kullanılıyor. Elektronlar çok soğuk bir ortamda, yani mutlak sıfıra çok yakın derecelere kadar soğutuluyor, bu sayede elektronların hareketleri yavaşlatılıyor.
Elektron dediğiniz öyle elle tutabileceğiniz gözle görebileceğiniz bir şey değil. Bir kübiti yapmak inanılmaz zorluklar demek.
.AA319484.cucina.348.437.300.4108.5164.Scala di grigio.
Ettore Majorana diye bir genç dahi
Şimdi buradan gelelim Microsoft’un neyi bulduğuna… Ama ondan önce 1938 yılında, henüz 32 yaşında Sicilya’nın Palermo kentinde sanki yer yarılmış yerin içine girmiş gibi kaybolan bir dahi İtalyan fizikçiyi, Ettore Majorana’yı biraz tanımalıyız.
1906 Sicilya Katanya doğumlu olan Ettore Majorana gerçekten dahi seviyesinde bir fizikçiydi.
Örneğin 1932 yılında Paris’te Irène Joliot-Curie ve kocası Frédéric Joliot bir deney yaptılar ve atomun içinde o zamanlar bilinmeyen bir parçacığın çıktığını gözlemlediler. Bu parçacık o sırada varlığı bilinmeyen (bir tek Ernest Rutherford ‘Böyle bir parçacığın olması gerek’ demiş ve adını da koymuştu) “nötron”du aslında ama Curie ve kocası bunun gamma ışınları olduğunu sandılar. Onların deney sonuçlarına bakan Majorana, çıkan şeyin gamma ışını değil elektrik yükü bakımından nört bir parçacık olduğunu söyledi. Hocası Enrico Fermi ondan hemen bir makale yazmasını istedi ama o yazmadı. Aynı yıl İngiltere’de Rutherford’la birlikte çalışan James Chadwick kendi deneyini yaptı ve “Nötronu bulduğunu” ilan etti. Bu sayede Nobel ödülünü de aldı. Majorana makalesini yazsa, ödül onun olacaktı.
Yarı parçacıkları teorik olarak varsaydı
Aynı Majorana, 1937’de yakın zaman önce İngiliz fizikçi Paul Dirac tarafından varlığı öne sürülen anti-elektron, pozitronla elektronun ilişkisini ve bu ikilinin birbirini yok etmesini ele aldığı bir makale yazdı ve makalesinde bir teorik yarı parçacıktan söz etti.
Burada kısa bir bilgi vermeliyim. Elektron kendi başına bir atomaltı parçacık. Ama mesela protonlar ve nötronlar parçacık değil, onları meydana getiren başka parçacıklar var. Bunlar da temelde iki sınıf: Fermiyonlar ve mezonlar.
Fermiyonlar kütlesi de olan parçacıklar, buna karşılık mezonların kütlesi yok, onlar güç taşıyan parçacıklar.
İşte Majorana’nın varlığını iddia ettiği, daha doğrusu var olması gerektiğini matematiksel olarak ispat ettiği yarı parçacıklar bir özel fermiyon sınıfını oluşturuyor. Bunlar sadece 2 boyutlu bir evrende varlar ve kendi kendisinin anti maddesi. Yani bir araya geldiklerinde kendi kendilerini yok ediyorlar.
Majorana Parçacıklarının sırrı
Bu yarı parçacıklara epeydir “Majorana fermiyonları” adı veriliyor veya “Majorana parçacığı.” Aynı parçacığın bir başka adı daha var: Anyon.
Majorana’nın dehasını anlamanız bakımından söylüyorum, aynı makalede İtalyan fizikçi “nötrino”ların varlığını da ileri sürdü ve kütlesi hakkında br tahminde de bulundu. 2017 yılında ilk kez nötrino gözlendi, henüz kütlesi hakkında aktif bir tartışma var. daha yakın zamanda, bugüne kadar gözlenmiş en yüksek enerjili nötrino da yakalandı. Bu gözlemi 10Haber’de geçen pazar İsmet Berkan köşesinde anlattı.
Evrendeki ‘Majorana parçacıkları’ ve ‘nötrino’ların evrenimizin kayıp kütlesini oluşturduğu düşünülüyor. Yani “karanlık madde” adı verilen şeyin bu parçacıklar olduğunu söyleyenler var.
Katı değil, sıvı değil, gaz değil, ‘topolojik durum’da
Şimdi artık Microsoft’un bulduğunu öne sürdüğü şeye gelebiliriz…
Bu ‘Majorana Parçacıkları’ veya ‘Anyon’lar aslında teorik parçacıklar, çünkü bugüne kadar hiç gözlenmediler. Ama 2015 yılında yazılan bir makalede bu parçacıklardan bir “topolojik durum” yaratılabileceği ve bu durumun da kuantum bilgisayarı olarak kullanılabileceği söylendi.
Şimdi Microsoft’un araştırma birimindeki bilimciler, sadece ‘Majorana parçacıkları’nı gözlemekle kalmadıklarını, onları “topolojik durum” denen ve maddenin katı, sıvı veya gaz halinden başka bir dördüncü haline sokabildiklerini, bu sayede de son derece istikrarlı kuantum bilgisayar kübitleri yaratabildiklerini söylediler.
Onların açıklamasına göre çok özel koşullar yaratıldığında, örneğin Microsoft’un araştırma biriminde bir nokta, 50 mili Kelvin’e kadar, yani neredeyse mutlak sıfır olan eksi 273 dereceye kadar soğutuluyor. Bu soğukluk sayesinde süper iletkenlik sağlanıyor ve yaratılan bir manyetik alanla işte fizikçilerin sözünü ettiği “topolojik durum”a erişiliyor. Yani madde yeni bir hale geçiyor.
1 milyon kübit mi?
Tabii burada en büyük şeyin nano ölçekte olduğunu söylemeye bile gerek yok.
Bu sayede bir kuantum bilgisayar çipi yapmış Microsoft. İddiaları o ki, bu çipin içine istenirse 1 milyon kübit koymak bile mümkün.
Yine Microsoft’un iddiasına göre bu yöntemle yapılan kübitlerin yanlış düzeltme algoritmasına ve devresine sahip olma ihtiyacı da çok azalıyor.
Sistem zaten kuantum bilgisayar ile klasik bilgisayarın bir melezi gibi, aynı anda ikisi de kullanılıyor.
Microsoft bütün makaleleri de yayınladığı için bilim dünyası şimdi bu dev şirketin iddialarını alıp inceleyecek. Bu makalelerden hareketle Microsoft’un yaptığı gibi bir kuantum işlemci yapmak da mümkün aslında.
Böyle bir işlemci devreye girdiğinde ele geçecek muazzam işlem gücü ile yapılabilecek şeyleri hayal etmek bile yorucu. Yeni ilaç bulmaktan Richard Feynmann’ın zamanında hayal ettiği kuantum simülasyonlarına kadar pek çok şey mümkün olabilir artık.
Microsoft ürettiği kuantum işlemciye bütün bu derin fiziğin arkasındaki isim olan Ettore Majorana’nın adını koymuş, çip Majorana-1 adını taşıyor.
Eğer şirketin iddiaları doğru çıkarsa insanlık çok ama çok büyük bir teknolojik sıçrama yaptı demektir. Gerçekten bu akıllara durgunluk verecek derecede büyük bir olay.
