110 Yıllık Hesap 19 Saniyede Bitti: IBM’in Yeni Kuantum Çipi Süper Bilgisayarları Nasıl Geride Bıraktı?
Bazı hesaplamalar o denli zorludur ki, bunların gerçekleştirilmesini düşünmek bile olağanüstü güce sahip tesisler gerektirir.
Söz konusu olanlar süper bilgisayarlardır; GPU ve CPU’larının muazzam gücüyle hummalı bir şekilde çalışan ve bir masaüstü bilgisayarın tamamlaması yüzlerce hatta binlerce yıl sürecek uygulamaları işleyen devasa sistemler.
Ticari olarak erişilebilir bir kuantum bilgisayarbilgisayar, bu yeni teknolojinin bir gün süper bilgisayarları geride bırakabileceğine işaret eden bir başarıya imza attı.
IBM’in Nighthawk r2 işlemcisi, bir süper bilgisayarın yaklaşık 110 yılda tamamlayacağı tahmin edilen bir görev olan bir milyon örneklem oluşturma işlemini sadece 19 saniyede gerçekleştirdi.
ABD’deki BlueQubit bünyesinde teorik yoğun madde fiziği uzmanı olarak çalışan başyazar Tigran Sedrakyan ve meslektaşları, durumu şöyle ifade ediyor: “Bildiğimiz kadarıyla bu, uzman olmayan çoğu kuantum bilgisayar kullanıcısının kolayca tekrarlayabileceği, ticari ve geniş çapta erişilebilir bir kuantum işlemci üzerinde gerçekleştirilen standart bir rastgele devre örneklemesi (random-circuit sampling) işleminde kuantum avantajının ilk kez gösterilmesidir.”
IBM’in güncel nesil kuantum işlemcisi Nighthawk r2. (IBM)
Kuantum üstünlüğü mücadelesi, süper bilgisayarlar ile kuantum bilgisayarlar arasında, asıl olarak 2018’de hız kazanan bir silahlanma yarışıdır.
Temel tez şudur: Klasik bir bilgisayarın gerçekleştirmesinin imkansız olmasa bile aşırı derecede zor olduğu bir kuantum hesaplama işlemi mutlaka olmalıdır.
2018 yılında UC Berkeley’deki araştırmacılar, bu işi başarabilecek önde gelen bir göreve dair güçlü teorik kanıtlar sundular: rastgele devre örneklemesi (RCS).
Kuantum devresi, tıpkı geleneksel bir bilgisayarda bitler üzerinde gerçekleştirilen işlemlere benzer şekilde, kübitler üzerinde uygulanan bir dizi işlemden oluşur.
RCS yönteminde bu işlemler büyük ölçüde rastgele seçilir ve giderek karmaşıklaşan bir kuantum durumu yaratılır. Ardından işlemci bu durumu tekrar tekrar ölçerek birler ve sıfırlardan oluşan diziler, yani “örnekler” üretir.
Bu örnekleri üretmek oldukça basittir; ancak kübit ve işlem sayısı arttıkça, aynı sonuçları klasik bir bilgisayarda yeniden elde etmek için gereken olasılık dağılımını hesaplamak, sonu gelmez ve beyhude bir çabaya (Sisyphos’un çabasına) dönüşür.
2019’da Google, 53 kübitlik Sycamore işlemcisinin, klasik bir süper bilgisayarın pratik sınırlarını aşan bir RCS deneyi gerçekleştirdiğini duyurarak büyük ses getirdi.
Ancak klasik sistem araştırmacılarının, geleneksel bilgisayarları bu sonuçları yeniden üretecek seviyeye zorlayacak yaratıcı yöntemler geliştirmesi; kuantum araştırmacılarının ise mevcut en ileri teknolojileri kullanarak kendi sistemlerini giderek daha uç noktalara taşıması uzun sürmedi.
Sedrakyan ve meslektaşları, özel bir deneysel kuantum işlemci kullanmak yerine, deneylerini IBM’in bulut platformu aracılığıyla kullanıcılara ticari olarak sunulan 120 kübitlik süper iletken bir kuantum işlemci olan Nighthawk r2 üzerinde gerçekleştirdiler.
İşlemcinin 61 kübitini seçtiler ve bunları, karmaşıklığı giderek artan ve 40 döngüye (61 kübitin manipüle edilip dolanık hale getirildiği tekrarlanan işlem turları) kadar ulaşan rastgele devrelere tabi tuttular.
Üstelik bunu, deney için özel olarak hazırlanmış bir kalibrasyon olmaksızın, platformun standart bulut iş akışını kullanarak yaptılar.
Devrenin 918 adet iki kübitlik kapı içerdiği 36 döngülük aşamada, ideal denge noktasını (Goldilocks bölgesi) tespit ettiler. Bu koşullar altında Nighthawk r2, sadece 19 saniyede 1 milyon örnek üretti.
Şaşırtıcı bir şekilde, işin kolay kısmı buydu.
Aynı görevin klasik bir bilgisayar için ne kadar zorlu olacağını kestirmek ise çok daha güç.
Zira bir süper bilgisayarın bu görevi yerine getirmesinin neredeyse imkansız olması bekleniyor; ayrıca dünyanın en güçlü süper bilgisayarlarına yönelik yoğun bir talep olduğundan, bilim insanları programı öylece bir süper bilgisayara yükleyip sonucun ne olacağını izleyemiyorlar.
Neyse ki kullanabilecekleri bir araç mevcut: Klasik bir bilgisayarda bir kuantum devresini simüle etmenin hesaplama maliyetini tahmin edebilen “tensör ağı daraltma” (tensor-network contraction) adlı bir teknik.
Sedrakyan ve meslektaşları bu yaklaşımı kullanarak, elde ettikleri bir milyon örneği yeniden üretmenin yaklaşık 1,2 × 10²⁷ hesaplama işlemi gerektireceğini hesapladılar.
Frontier, saniyede bir kentilyondan (1 × 10¹⁸) fazla işlem yapabilen zirve performansıyla dünyanın ilk eksaskala (exascale) süper bilgisayarıydı ve 2024 yılına kadar en hızlısı olma unvanını korudu. Araştırmacılar, sistemin sürekli (sürdürülebilir) performansına dair daha temkinli bir tahmin kullanarak, Nighthawk r2’nin bu başarısının yaklaşık 110 yıllık bir hesaplama süresine denk geleceğini hesapladılar.
Burada dikkat edilmesi gereken bazı önemli hususlar var. Söz konusu 110 yıllık süre, klasik bilgisayarlar için temel bir hız sınırı değil; kuantum deneyini yeniden üretmeye yönelik belirli bir yönteme dayanan bir tahmindir.
Ayrıca, tarihin de gösterdiği üzere, klasik bilişim araştırmacıları kestirme yollar bulma konusunda oldukça başarılıdır. Daha verimli algoritmalar, gereken iş miktarını önemli ölçüde azaltabilir.
Sedrakyan ve ekibi bu olasılığı açıkça kabul ediyor. İddiaları, hiçbir klasik bilgisayarın Nighthawk r2’nin performansına asla erişemeyeceği değil; aksine, bu kıstas (benchmark) açısından kuantum işlemcinin önemli ölçüde öne geçtiğidir.
Bu durum, kuantum avantajı yarışında ortaya konan yeni bir meydan okumadır; bir üstünlük taslama çabası değil, nihayetinde her iki tarafı da daha iyi hesaplama yöntemleri bulmaya teşvik edecek meslektaşça bir rekabettir.
Dahası bu, söz konusu rekabetin bizzat sahnelenmesidir: Kuantum avantajı, özel üretim laboratuvar ekipmanları üzerinde değil, ticari olarak erişilebilir donanımlar üzerinde elde edilmiştir.
Araştırmacılar, deneyi standart bulut çalıştırma altyapısını kullanarak “bulut üzerinden erişilebilen, halka açık bir Kuantum İşlem Birimi (QPU)” üzerinde gerçekleştirdiklerini; ayrıca başkalarının da sonucu bizzat test edebilmesi için devre yapılarını, örnekleri ve analiz kodlarını kullanıma sunduklarını vurguluyorlar.
Eldiven burada. Kim gelip onu almak ister?
Kaynak: https://www.sciencealert.com
Google’ın Kuantum Bilgisayarı Maddenin Yeni ve Tuhaf Bir Formunu Ortaya Çıkardı