Microsoft’tan Kuantum Bilgisayarlarda Yeni Bir Dönem: Majorana 1 Çipi

Yazan: Catherine Bolgar

Microsoft bugün, kuantum bilgisayarların anlamlı ve endüstriyel ölçekteki problemleri yıllar içinde çözmesini mümkün kılacak yeni bir mimariyle geliştirilen dünyanın ilk kuantum çipi Majorana 1’i tanıttı. “Topolojik Çekirdek” adı verilen yeni bir mimariyle çalışan bu çip, kuantum bilgisayarların yapı taşı olan kübitleri daha güvenilir ve ölçeklenebilir hale getiren, topokonduktör adlı devrim niteliğinde bir malzeme kullanıyor. Topokonduktörler, Majorana parçacıklarını gözlemleyip kontrol edebilen ilk malzeme türü olarak öne çıkıyor.

Microsoft, bu gelişmenin, yarı iletkenlerin akıllı telefonları ve modern elektroniği mümkün kılması gibi, kuantum sistemlerin milyonlarca kübite ölçeklenmesini sağlayarak en karmaşık endüstriyel ve toplumsal sorunları çözebilecek bir geleceğin kapısını araladığını söylüyor. Konuyla ilgili görüşlerini paylaşan Microsoft Teknik Uzmanı Chetan Nayak “Bir adım geri çekilip ‘Kuantum çağı için transistörü yeniden icat etsek nasıl olurdu?’ diye düşündük. Bu noktaya gelmemizi sağlayan şey, yeni malzeme yığınlarımızdaki özel kombinasyon, kalite ve detaylar oldu” diyor.

Avuç içine sığan milyon kübitlik çip

Microsoft, Majorana 1 işlemcisinin geliştirilmesinde kullanılan bu yeni mimarinin, avuç içine sığabilecek boyutta bir çip üzerinde bir milyon kübit barındırabileceğini söylüyor. Bu, kuantum bilgisayarların gerçek dünyada dönüştürücü çözümler sunabilmesi için gerekli bir eşik.

Örneğin:

• Mikroplastikleri zararsız bileşenlere ayırmak,
• İnşaat, üretim veya sağlık alanlarında kendini onaran malzemeler geliştirmek,
• Bugünkü tüm klasik bilgisayarların birlikte bile çözemeyeceği problemleri çözmek.

“Kuantum alanında ne yapıyorsanız yapın, hedefiniz bir milyon kübite ulaşmak olmalı. Aksi takdirde, gerçekten önemli problemleri çözebilecek ölçeğe ulaşmadan duvara çarparsınız; biz bu yolu gerçekten oluşturduk” diyor Nayek.

Yeni bir madde hali: Topolojik süperiletken

Topokonduktör, yani topolojik süperiletken; katı, sıvı veya gaz olmayan tamamen yeni bir madde hali oluşturabilen özel bir malzeme. Bu sayede daha kararlı, hızlı, küçük ve dijital olarak kontrol edilebilen kübitler üretilebiliyor. Microsoft araştırmacıları, bu topolojik kübitlerin egzotik kuantum özelliklerini oluşturmayı ve ölçmeyi başardıklarını Nature dergisinde yayımlanan bir makaleyle duyurdu.

Bu başarı, indiyum arsenit ve alüminyumdan oluşan tamamen yeni bir malzeme yığını geliştirmeyi gerektirdi. Microsoft, bu malzemeleri atom düzeyinde tasarlayıp üretti. Amaç, Majorana adı verilen yeni kuantum parçacıklarını ortaya çıkarmak ve onların benzersiz özelliklerinden faydalanarak kuantum hesaplamada yeni bir seviyeye ulaşmaktı.

Donanımda hata direnci

Majorana 1’i çalıştıran dünyanın ilk topolojik çekirdeği, donanım düzeyinde hata direnci sağlayacak şekilde tasarlandı, ki bu da onu daha kararlı hale getiriyor. Ticari olarak önemli uygulamalar, milyonlarca kübit üzerinde trilyonlarca işlem gerektiriyor. Mevcut yaklaşımlar, her bir kübitin analog olarak hassas şekilde kontrol edilmesini gerektirdiğinden bu oldukça zor. Microsoft’un yeni ölçüm yöntemi, kübitlerin dijital olarak kontrol edilmesini sağlıyor ve kuantum hesaplamayı yeniden tanımlıyor.

Bu ilerleme, Microsoft’un yıllar önce aldığı riskli ama yüksek ödüllü topolojik kübit stratejisinin meyvesini verdiğini gösteriyor. Şirket, bugün sekiz topolojik kübiti bir çip üzerinde çalıştırmayı başardı ve bu çip, bir milyon kübite ölçeklenmek üzere tasarlandı. Konuyla ilgili görüşlerini paylaşan bir başka Microsoft Teknik Uzmanı Matthias Troyer, “Başından beri amacımız sadece teorik liderlik değil, ticari etki yaratacak bir kuantum bilgisayar geliştirmekti. Yeni bir kübit gerektiğini ve aynı zamanda ölçeklenebilir olması gerektiğini biliyorduk” diyor.

DARPA’dan destek

Bu yaklaşım, ABD Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı (DARPA) tarafından da destekleniyor. Microsoft, DARPA’nın ticari olarak anlamlı kuantum sistemlerin geleneksel beklentilerden daha hızlı geliştirilebileceğini test ettiği programda son aşamaya geçmeye davet edilen iki şirketten biri oldu.

‘Sadece cevabı verir’

Microsoft, kendi kuantum donanımını geliştirmenin yanı sıra Quantinuum ve Atom Computing ile iş birliği yaparak mevcut kübitlerle bilimsel ve mühendislik alanında önemli ilerlemeler kaydetti. Bu iş birlikleri, geçen yıl duyurulan sektörün ilk güvenilir kuantum bilgisayarını da kapsıyor.

Bu tür makineler, kuantum beceriler geliştirmek, hibrit uygulamalar oluşturmak ve yeni keşifler yapmak için önemli fırsatlar sunuyor. Özellikle yapay zekâ ile birleştiğinde, daha fazla güvenilir kübit sayesinde yeni kuantum sistemler büyük potansiyel taşıyor. Azure Quantum; bu alanda AI, yüksek performanslı hesaplama ve kuantum platformlarını bir araya getiren entegre çözümler sunuyor. Ancak bir milyon kübit ve trilyonlarca hızlı ve güvenilir işlem kapasitesine sahip bir kuantum mimarisi olmadan bu potansiyele ulaşmak mümkün değil. Microsoft, bu hedefin artık onlarca yıl değil, birkaç yıl içinde ulaşılabilir hale geleceğini söylüyor.

Kuantumun gücüyle doğayı anlamak

Kuantum bilgisayarlar, doğanın davranışlarını matematiksel olarak olağanüstü bir hassasiyetle modelleyebiliyor. Bu sayede:

• Malzemelerin neden korozyona uğradığı veya çatladığı gibi kimyasal sorular çözülebilir,
• Mikroplastikleri parçalayacak katalizörler geliştirilebilir,
• Enzimlerin davranışları daha iyi anlaşılabilir ve tarım ile sağlıkta devrim yaratılabilir,
• Yeni malzeme veya moleküller, sadece ne istendiği söylenerek tasarlanabilir.

Troyer, konuyla ilgili görüşlerini şöyle ifade ediyor: “Bir şey üreten her şirket, onu ilk seferde mükemmel şekilde tasarlayabilir. Kuantum bilgisayar size sadece cevabı verir. Kuantum bilgisayar, yapay zekâya doğanın dilini öğretir, böylece AI size ne yapmanız gerektiğini söyler”.

Ölçeklenebilir kuantum bilgisayarlar için yeniden düşünmek

Kuantum dünyası, klasik fizik kurallarına değil, kuantum mekaniğine göre işler. Kübitler, klasik bilgisayarlardaki bitlerin kuantum karşılığıdır. Ancak çevresel etmenlerden kolayca etkilenirler ve bu da bilgi kaybına yol açar. Bu nedenle, hem ölçülebilen hem de kontrol edilebilen, aynı zamanda çevresel gürültüye karşı korumalı kübitler geliştirmek büyük bir zorluktur.

Microsoft, yaklaşık 20 yıl önce topolojik kübit geliştirme yolunu seçti. Bu yaklaşım, daha az hata düzeltme gerektiren, daha kararlı kübitler sunarak hız, boyut ve kontrol avantajları sağlıyor. Ancak bu yol, Majorana parçacıklarının doğada bulunmaması nedeniyle oldukça zorlu bir bilimsel ve mühendislik süreci gerektiriyordu. Nature dergisinde yayımlanan makale, Microsoft’un bu parçacıkları oluşturmayı başardığını ve onlardan bilgi ölçebildiğini doğruluyor. Bir süper iletken telde bir milyar ile bir milyar bir elektron arasındaki farkı algılayabilecek kadar hassas olan bu ölçümler, her kübit için ayrı ayrı ayar yapmak yerine, voltaj darbeleriyle açılıp kapatılabiliyor. Bu da kuantum bilgisayarların dijital olarak kontrol edilmesini ve ölçeklenmesini kolaylaştırıyor.

Atom düzeyinde malzeme tasarımı

Microsoft’un topolojik kübit mimarisi, alüminyum nanotel ağlarından oluşan H şeklinde yapılar içeriyor. Her H yapısı dört kontrol edilebilir Majorana içeriyor ve bir kübit oluşturuyor. Bu yapılar çip üzerinde karo gibi dizilebiliyor. “Yeni bir madde hali göstermek zorundaydık ama ondan sonra mimari oldukça basit. Bu yapı ölçeklenebilirliği çok daha hızlı hale getiriyor” diyor Microsoft Teknik Uzmanı Krysta Svore.

Söz konusu kuantum çip, tek başına çalışmıyor. Kontrol mantığı, uzaydan daha soğuk sıcaklıklarda çalışan bir soğutucu ve AI ile klasik bilgisayarlarla entegre olabilen bir yazılım yığınıyla birlikte çalışıyor. Tüm bu parçalar Microsoft tarafından geliştirildi. Svore, doğru malzeme yığınını oluşturmanın en zor kısımlardan biri olduğunu söylüyor. Microsoft’un topokonduktörü, silikon yerine kızılötesi dedektörlerde kullanılan özelliklere sahip indiyum arsenitten yapılıyor. Bu yarı iletken, aşırı soğuk sayesinde süperiletken hale getirilerek hibrit bir yapı oluşturuluyor.

Svore kuantum bilgisayarlarla ilgili sözlerini şöyle tamamlıyor: “Kelimenin tam anlamıyla atom püskürtüyoruz. Malzemelerin mükemmel şekilde hizalanması gerekiyor. Malzeme yığınında çok fazla kusur olursa, kübit çalışmaz. İronik olarak, bu malzemeleri anlamak da çok zor olduğu için bir kuantum bilgisayara ihtiyacımız var. Ölçeklenmiş bir kuantum bilgisayarla, bir sonraki nesil kuantum bilgisayarları oluşturacak daha iyi malzemeleri tahmin edebileceğiz”.