Araştırmacı günlüğü: Toplarla iyonlara ateş etmek
Döner sikke örneğinde kalalım: Araştırmacılar, sonucu okumak için, bunun üzerine basitçe şiddetli bir biçimde elle vurmuyorlar. Sistemin toplam durumunu girişim yöntemi denilen bir yöntemle açığa çıkarıyorlar. Bu yöntem sonuç olarak yalnızca tura ya da yazı durumunu görünür kılmakla kalmıyor, bilakis sikkenin adeta bu durumlar arasındaki açısal konumunu tamı tamına kaydediyor. Sonuçta hangi açının açığa çıkacağı, güçlü bir biçimde sikkenin önceden ne tür ve ne tarzda döner kılındığına bağlı oluyor. Şimdi bir kuvantum bilgisayarının programlanması sikkenin dönmeye başlamasıyla karşılaştırılabilir. Tek tek atomların özel uyarılışı ve planlılışı, bir kuvantum bilgisayarının çok sayıdaki tek tek durumlarının karakteristik bir girişim örneği oluşturacak şekilde üst üste binmesini sağlıyor. Bu örnek programlanmış soru yöneltiminin sonucuna tekabül ediyor. Garching’de profesör Walther, lazer ışınlarıyla en azından laboratuvar ölçeğinde bir kuvantum bilgisayarı gerçekleştirmek için çalışıyor. Bunun için, önce bir vakum (boşluk) silindirde, magnezyum atomlarını daha sonra bir lazer topu ile iyonlaştırmak için, serbest bir hale getiriyor: Şimdi pozitif yüklü atomun (=iyon) bir iyon tuzağında yakalanması için, enerji dolu ışık ışını, bir elektronu atom kabuğunun dışına ateşliyor. Bu tip bir tuzak, ilke itibarıyla güçlü elektromıknatıslarla donanmış, yüzük biçiminde bükülmüş bir tüpten ibaret.Hızla değişen elektriksel alanlarla içerde iyonlaşmış atomlar o denli hızlı bir buraya bir oraya çekiştiriliyor ki, neredeyse hemen hemen hiç yerlerinden oynamıyor ve teorik olarak bir sırada 30 bin atoma kadar tüpün merkez ekseni boyunca diziliyor. Kuvantumbit’lerinin bağlantılandırılması için şimdi atom zinciri içerisinde ileri-geri (önearkaya) şeklindeki titreşimden yararlanılıyor. Bu titreşim efekti, atomları bir kuvantum bilgisayarı için gerekli olduğu biçimde birbirine bağlıyor. Oysa burada bir kusur da yok değil: Bu tarzla hep bir avuç atom birbirine bağlanabiliyor, üstelik de yalnızca saniyenin birkaç binde biri kadar bir süreyle! Kuvantum bilgisayarının ilke itibarıyla işlediğini kanıtlamak için bu yeterli. Örneğin kod şifresinin çözülmesi gibi, gerçekten ilginç sorunların çözümü için, daha yapacak çok şey kalıyor. Ama tek başına birbirine bağlanmış atomlar da henüz bir kuvantum bilgisayarı oluşturmuyor: Enformasyon giriş ve çıkışı olmaksızın hiçbir şey işlemiyor. Garching’de bu amaç için lazer kullanılıyor. Belirli bir ışık enerjisiyle yakalanmış iyonlar, tek tek uyarılabiliyor ve yine planlı bir biçimde daha düşük bir enerji durumuna getirilebiliyor. Yani Garching’de kuvantum bilgisayarı için programlar PC’de olduğu gibi makine diline değil, lazer tepilerine çevriliyor. Sistem durumunun ölçümü ve böylelikle sonucun okunması da yine hüzmelenmiş bir lazer ışık ışını yardımıyla cereyan ediyor.
Vizyon ve gerçeklik arasındaki teknoloji
Geriye kuvantum bilgisayarı ile ne zaman gerçek dünyadan sorunların çözülebileceği sorusu kalıyor. “Dijital bilgisayarların gelişimi ile karşılaştırıldığında, kuvantum bilgisayarı bugün Charles Babbage’ın 19. yüzyılın başlarında bulunduğu yerde” uyarısında bulunmuştu, yaklaşık bir yıl önce vefat eden Yorktown’daki IBM araştırma laboratuvarından Rolf Landauer. Mekanik bilgisayarın mucidi Charles Babbage, yaşadığı sürece kendisi tarafından tasarlanmış makineyi gerçekten inşa etmek konusunda en ufak bir şansa sahip olmamıştı. Profesör Walther, aynı şekilde uçakların sınai üretimini yaşayamamış olsa da, uçuş dünyasının öncüsü Otto Lilienthal ile karşılaştırılmayı tercih ediyor (bkz. yukarıdaki söyleşi). Bu Amerikalı PC bilimcisi Raymond Kurzweil’ı ikna etmekten uzak: “Tam da bilgisayar teknolojisi hep üstel olarak artan bir hızla gelişti. Ben gelecek 20 yıl içinde güçlü bir performansa sahip kuvantum bilgisayarlarının inşa edileceğinden yola çıkıyorum.”
Tuzak hazır! Şimdi Almanya/Garching’teki Max-Planck Enstitüsü’ndeki (MPQ) araştırmacılar avlarını bekliyor: İki masa tenisi büyüklüğündeki bir masanın üzerinde, birbirleriyle lazer ışınları ağı ile bağlantılı sayısız mercek, akümülatör, dağıtıcı ve döndürücü duruyor. Bu gizemli bir şekilde vızıldayan aygıtın kalbi, iyon tuzağı olarak adlandırılıyor. Profesör Walther ve meslektaşları, lazer fiziği araştırma grubu laboratuarında, tek tek atomları hesaplama yetisine sahip sistemlerin oluşturulabilmesine imkan tanıyacak şekilde yalıtım ve gruplandırma üzerinde çalışıyorlar. Utangaç atomları yakalamak ve hesaplama kölesi olarak biçimlendirmek için harcanan devasa çabaya bakıldığında akla şu soru geliyor: Tüm bu çaba niye? Evdeki PC bile artık oldukça hızlı hesaplamalar gerçekleştiriyor. Örneğin Excel’de yapılacak bir hesaplama için geleneksel bilgisayarların hızı da tümüyle yeterli oluyor, ancak örneğin 266 bit uzunluğundaki bir anahtara sahip bir code’un şifresinin çözülmesi gerektiğinde, biraz zaman gerekmiyor değil. Çünkü bu tip bir anahtar, evrendeki atomların hepsinin birden daha fazla kombinasyon olanaklarını içeriyor. Ve en hızlı dijital süper bilgisayar bile, bu code’un şifresini çözmek için, evrenin şimdiye kadar varolduğu süreden daha uzun bir süreye, yani 14 milyar yıldan fazlasına ihtiyaç duyuyor. Buna karşılık, tek tek atomlardan yapılmış bir kuvantum bilgisayarı, çözümü birkaç dakika içinde bulabiliyor.
Kuvantumların gücü kararsızlığında
Bu tip bir bilgisayarın çalışma tarzını betimlemek için, kuvantum fiziğinin insani tasarım yetisini zorlayan derinliklerine dalınmak zorunda. Tek bir atom görünüşte terbiyesini bozmuyor: Örneğin uygun bir uyarı ile daha yüksek bir enerji durumuna yükseltilebiliyor. Bu durum 1 olarak, daha düşük bir durum ise 0 olarak yorumlandığında, geleneksel bilgisayarın en küçük enformasyon birimi olan bit’in atomar eşdeğeri bulunmuş oluyor. Ama atomlarda iş bu kadar basit değil: Bir bit 1 ya da 0 gibi tanımlanmış bir duruma sahipken, bir atom bir kuvantumbit denilen bir durum üretiyor: Atom durumunu ancak kendisine dışarıdan soru yöneltildiğinde bildiriyor. Bu aralıkta ise zor anlaşılır bir “hem-1 hem de-0-durumu” bulunuyor.
Bu özellik en iyi, döner bir madeni para ile karşılaştırılabilir. Sikke dönerken, sürekli olarak “tura önde” ile “yazı önde” arasındaki durumu değiştiriyor. Ancak hesaplama sonucu sorulduğunda (örneğin elle döner sikkeye vurulduğunda), somut bir sonuç saptanıyor: Tura mı, yazı mı? kuvantumbit’lerinin bu kararsızlığının ne derece yüksek bir potansiyel sunduğu, ikinci bir atom birincisiyle bağlantılandırıldığında kendini gösteriyor: Atom ikilisi aynı anda dört duruma sahip oluyor: 0 ve 0, 1 ve 0, 0 ve 1, 1 ve 1. Üç atom sekiz duruma, dört atom 16 duruma ve n sayıda atom buna uygun olarak aynı anda sunulabilen 2 üzeri n duruma sahip oluyor. Böylelikle daha 50 atomdan ibaret bir kuvantum bilgisayarı bile, dünyadaki tüm bilgisayarlardan daha fazla hesaplama gücüne sahip oluyor. İşin kuramı bu. Pratikte ise, araştırmacılar atomları önce yalıtmak, sonra birbirine bağlamak, tek tek uyarmak ve nihayet hesaplamaların sonucunu da sormak problemiyle karşı karşıya. Buradaki son nokta oldukça çetrefilli: Eğer bir kuvantum bilgisayarı tüm sonuçları aynı anda sunabiliyorsa, doğru çözümün hangisi olduğu nereden anlaşılacak?