Nobel Fizik Ödülü: 40 yıllık bu keşif, kuantum bilgisayarların yolunu nasıl açtı?

Yeni Türkü’nün, sözleri Murathan Mungan’a ait "Çember" şarkısı bana hep kuantum bilgisayarı hatırlatır. Çünkü iki olasılığın aynı anda mümkün olması ihtimalini sorgulatır. Bilirsiniz, normalde “Ya içindeyizdir çemberin ya da dışında.” Şarkı bize ikisinin aynı anda olmasının kederini hissettirir. 

Kendimiz içindeyken kafamız dışarıdaysa çaresi yoktur çünkü: Bizi bir mutsuzluk bekler. Ötesinde, “her akşam öyle içip kederlenip meyhane masalarında kahrolmak” vardır. “Neyse ki şiirlerle, şarkılarla kendimizi avutmak” olasıdır.

Masalarda kahrolup, şiire, şarkıya sığınmak yerine, kuantum bilgisayarlar üzerine düşünerek de avunabiliriz.

Avunmanın başka bir yolu

Hatırlayalım, klasik bilgisayarlar bit denilen dijital birimler hâlinde işler. Bu bitlerin değeri ya 0'dır ya da 1’dir. Aynı anda ikisi birden olamaz. 

Kuantum bilgisayarlarda bit’in karşılığı qubit’tir. Bir qubit, kuantum mekaniğinin süperpozisyon ilkesi sayesinde 0 ve 1 durumlarını aynı anda alabilir. Yani hem çemberin içinde hem de dışındadır. Ayrıca her akşam öyle içip kederlenip meyhane masalarında kahrolmasına da gerek yoktur. Çünkü bu durum, kuantum bilgisayarları muazzam derecede hızlı işlem yapar hâle getirir. 

Klasik bir bilgisayar bir labirentte her seferinde tek bir yolu denerken kuantum bilgisayar, tüm yolları aynı anda deneyebilir. Tabii her şey bu kadar toz pembe değil, ama oraya sonra gelelim.  

Neden 40 yıl önceki bir keşfe ödül verildi? 

Önce 2025 Nobel Fizik Ödülü’nün gerekçesine bakalım: 

Atom altı âlemi yöneten fizik yasası olan kuantum mekaniğinin iki özelliğinin, çıplak gözle görülebilecek kadar büyük bir sistemde gözlemlenebileceğini gösterdikleri için John Clarke, Michel H. Devoret ve John M. Martinis, bu ödüle layık görüldüler. 

Böyle söyleyince doğal olarak hiçbir şey anlaşılmıyor ama bu konuda verilen meşhur örneğe başvurursak anlamak biraz daha kolaylaşacak. Bir topu duvara attığımızı düşünelim. Doğal olarak sekerek bize geri dönecektir. Ama kuantum dünyasında bu böyle değildir. Bir parçacık, örneğin bir elektron bazen duvardan geçebilir. Bu olaya “kuantum tünelleme” denir. 

Yani özetle, bir parçacık (örneğimizde top) klasik fizikte geçememesi gereken bir engeli “kuantum olasılık” sayesinde geçiyor. Bu bir sihir değil, bilimin ta kendisi. Fakat fizikçiler, uzun yıllar bu olayın yalnızca atom altı ölçekte (yani gözle görülmeyecek kadar küçük dünyada) olabileceğini düşündü. Bu onları şarkıdaki gibi çaresizce mutsuz etmiş olabilir. 

Ama bu mutsuzluk uzun sürmedi: 1980’lerde Clarke, Devoret ve Martinis’in çalışması, bu tünelleme olayının makroskopik yani gözle görülebilir büyüklükteki sistemlerde de olabileceğini kanıtladılar. İşte bu çalışmalarının kuantum bilgisayarların kubitleri, yüksek hassasiyetli MRI cihazları ve kuantum sensörler gibi pek çok teknolojinin altyapısını hazırladığı gerekçesiyle de 2025 Nobel Fizik Ödülü’ne layık görüldüler.  

Kuantum mekaniği 100 yıl önce tanımlandı

Eğer 1980’lerde yapılan o deneyler olmasaydı bugün IBM, Google gibi şirketlerin kullandığı kuantum işlemciler de olmazdı. Dolayısıyla bu Nobel ödülü, geçmişteki bir keşfi ödüllendirirken bugünün kuantum devrimini de taçlandırıyor diyebiliriz. 

Birleşmiş Milletler’in 2025 yılını “Uluslararası Kuantum Bilim ve Teknoloji Yılı” ilan ettiğini de hatırlayalım. Bu yıl, kuantum mekaniğinin formal tanımının yapılmasının da 100. yılı aynı zamanda. Yani bütün bunlar bir tesadüf değil. Aşırı kuantum bir yıl geçirdiğimizi söyleyebiliriz pekâlâ. 

Peki kuantum bilgisayarlarda ne durumdayız? 

Böyle anlamlı bir yıl geçirirken kuantum bilgisayarlarla ilgili yeni gelişmeleri de bekliyor insan ama o konuda Nobel ile birlikte değişen çok şey yok. Kuantum bilgisayarlar bugün hâlâ geleceğe ait bir teknoloji. 

Doğru, Google’ın Sycamore’u ya da IBM’in Osprey’i ve diğer bazı girişimler belli birkaç kuantum hesabı çözebiliyor. Ancak bu makineler henüz kararlı, güvenilir ya da ölçeklenebilir durumda değil. Çünkü kuantum bitleri, yani kubitler, aşırı hassas. Bir titreşim, bir sıcaklık dalgalanması, hatta tek bir foton (modern fizikte ışığın temel birimi) bile onların kuantum durumunu bozabiliyor. 

Bilim insanları bu yüzden “hata düzeltme” kodlarıyla kubitleri korumaya çalışıyor ama her yeni koruma katmanı, cihazları daha karmaşık ve pahalı hâle getiriyor. Daha önemlisi bir kuantum işlemcinin çalışabilmesi için neredeyse mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda (yaklaşık -273°C) tutulması gerekiyor. Bu da laboratuvarın içinde adeta başka bir evren yaratarak tutulmalarını gerektiriyor. Hâliyle bu koşullar, bu teknolojinin evlere ya da ofislere girmesini şimdilik imkansız kılıyor.  

Bu konuda sık sık yazılar yazılıyor, belgeseller çekiliyor ama kuantum bilgisayarlar gerçekten çalışabilir olduğunda neler değişeceğini de hatırlayalım. Önce iyi haberlerden başlayalım: 

Kişiselleştirilmiş tıbba doğru

Bir defa kuantum bilgisayarlar, bugün en büyük süper bilgisayarların bile yapamadığını yaparak molekülleri mükemmel bir doğrulukla simüle edebilir. Bu da yeni mükemmel ilaçların keşfinin ve kişiselleştirilmiş tıbbın yolunun açılması demek. 

Kişiye özel tedavi her bir kişinin genomundaki milyarlarca baz çiftini analiz etmek demek. Bugün hiç kolay değil ama kuantum bilgisayarlarla çok kolaylaşabilir. Böylece bugün çaresiz gibi görünen bazı kanser türleri, alzheimer gibi hastalıkların tedavisinde görülmedik biçimde yol alınabilir. 

Optimizasyon ve karar verme

Pek çok yapay zeka, karar verme süreci altında optimizasyon problemleri barındırır. Örneğin bir otonom aracın en güvenli rotayı bulması, yatırım portföylerinin optimize edilmesi, bir tedarik zincirinde gerçek talebin tahmin edilmesi, bir fabrikanın üretim planının ayarlanması karmaşık optimizasyon problemleri demektir. 

Kuantum bilgisayarlar bu konuda muazzam bir potansiyel barındırıyor. Hem hız hem de doğruluk açısından bugüne dek görülmemiş ölçüde sonuçlar alabilirler. 

Yapay zekadan malzeme bilimine

Kuantum bilgisayarlar bugün bildiğimiz ve kullandığımız üretken yapay zekayı da bir üst seviyeye taşıyabilirler. Evet, yapay zeka son yıllarda büyük ilerlemeler kaydetti ancak en gelişmiş makine öğrenimi modellerini eğitmek veya devasa veri setlerini analiz etmek halen muazzam hesaplama gücü gerektiriyor. 

Bu işlemin kuantum bilgisayarlara devredilmesi, genel yapay zeka (AGI) yolunda da önemli bir adım olabilir. Ayrıca hem yapay zekanın hem de kullandığımız tüm cihazların enerji ihtiyacı için de kuantum bilgisayarlar kritik bir yerde duruyor. Çünkü enerji alanındaki birçok atılım, daha verimli malzemelerin bulunmasına dayanıyor ve yeni malzeme keşifleri için kuantum bilgisayarlarla mümkün olacak kuantum kimya simülasyonları büyük bir avantaj sağlayabilir. 

• Bu sayede, gelecekte daha yüksek kapasiteli ve uzun ömürlü bataryalar geliştirilebilir.

Ayrıca iklim değişikliğiyle mücadeleden nükleer füzyon enerjisine kadar aklınıza gelebilecek her karmaşık işlem, kuantum bilgisayarlarla mümkün olabilir ama bu kadar iyi haber yeterli. Biraz da risklere yani kötü haberlere bakalım. 

Bütün şifreler kırılabilir

Kuantum bilgisayarların belki de en çok konuşulan tehlikelerinden biri, mevcut şifreleme sistemlerine yönelik bir tehdit olması. Bu şu demek: Bir kuantum bilgisayarla, banka işlemlerinden internet hesaplarımıza, askerî ve diplomatik yazışmalardan soğuk cüzdanlarımıza dek bugün kullandığımız bütün şifreler kırılabilir. 

İstihbarat servislerinin ve siber suçluların bugün büyük miktarda şifrelenmiş veriyi, kuantum bilgisayarların yaygınlaşacağı bir gelecekte kullanmak için toplandığı biliniyor. Zaten bu tehdit öngörüsü nedeniyle de kuantum güvenli şifreleme algoritmaları geliştirmek için dünya genelinde büyük bir yarış sürüyor. 

Birçok ülke ve şirket, 2030’a kadar kritik altyapılarda kuantum dayanıklı kriptoya geçme hedefleniyor. Türkiye’de de TÜBİTAK gibi kurumlar bu konuda çalışmalar yürütüyor.

Tünelin sonunda ne var? 

2025 Nobel Fizik Ödülü’nün kuantum bilgisayarlara giden yolu açan keşfe verilmesi, bu teknolojinin ilerleme hızı açısından çok bir şeyi değiştirmiyor. Ancak bunu bir metafor olarak düşünebiliriz. Tıpkı deneydeki top gibi, bildiğimiz dünyanın duvarlarını aşıp başka bir dünyaya ve çağa geçmenin bir metaforu olarak. 

Fakat şunu da biliyoruz ki kuantumun özü belirsizliktir. Bir sistem hem 0 hem 1 olabilir. Şarkımızı hatırlarsak çemberin hem dışında hem de içinde olabiliriz yani. Kuantum çağında asıl sınavımız, bu belirsizliğe psikolojik ve kültürel olarak dayanmak olacak. 

John Clarke, Michel Devoret ve John Martinis, 40 yıl önce fiziğin sınırlarını genişleterek bir tünel açmışlardı. Yazıda aktardığımız olumlu, olumsuz tüm öngörülere rağmen, biz onların açtığı tünelden geçerken tam olarak neyle karşılaşacağımızı da biliyor sayılmayız.