Geliştirilmiş versiyonları artık sıradan dizüstü bilgisayarlarda karmaşık, gerçek dünya kuantum problemlerini çözebiliyor. Bu çığır açan buluş, üst düzey kuantum simülasyonlarını daha hızlı, daha ucuz ve dünyanın her yerindeki bilim insanları için yaygın erişilebilir hâle getirebilir. Maddenin derinliklerine, kuantum ölçeğine bakıldığında, hayal edilemeyecek kadar küçük parçacıkların eşzamanlı olarak trilyonlarca farklı biçimde etkileşime girebildiği görülüyor. Bu tür bir karmaşıklık, fizikçileri çoğu zaman kuantum sistemlerinin davranış ve evrimini simüle etmek için süper bilgisayarlara veya yapay zekâ araçlarına yöneltiyor. Peki ya bu simülasyonların önemli bir bölümü sıradan bir dizüstü ile yapılabilse?
TEORİDEN UYGULAMAYA
Bilim insanları uzun zamandır bunun teoride mümkün olabileceğini öngörüyordu; ancak fikri pratik ve genel kullanıma uygun bir çözüme dönüştürmek zaman aldı. Buffalo Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, bu hedefe artık ulaşabildiklerini bildiriyor. Ekip, kuantum matematiğini basitleştiren bir fizik kısayolu olan kesik Wigner yaklaşımı (TWA) adlı uygun maliyetli hesaplama tekniğini genişleterek, bir zamanlar muazzam işlem gücü gerektirdiği düşünülen karmaşık problemlerin üstesinden gelmekte kullanılabilir hâle getirdi. Eylül ayında PRX Quantum’da yayımlanan çalışmada açıklanan yeni TWA sürümü, araştırmacıların verilerini girip yalnızca birkaç saat içinde güvenilir sonuçlar almasını sağlayan net ve erişilebilir bir çerçeve sunuyor.
YARI KLASİK KÖPRÜ
Çalışmanın sorumlu yazarı, UB Sanat ve Bilim Fakültesi’nde fizik yardımcı doçenti Dr. Jamir Marino, yaklaşımın çok daha düşük hesaplama maliyeti ve daha yalın dinamik denklemler sağladığını; yöntemin yakın gelecekte tüketici sınıfı bilgisayarlarda kuantum dinamiklerini keşfetmek için birincil araç hâline gelebileceğini vurguluyor. Bu sonbaharda UB’ye katılan Marino, araştırmayı Almanya’daki Johannes Gutenberg Üniversitesi Mainz’de yürütürken başlattı; ortak yazarlar arasında öğrencileri Hossein Hosseinabadi ve Oksana Chelpanova yer aldı.
Her kuantum sistemi tam çözülebilir değildir; sistem karmaşıklaştıkça gereken işlem gücü katlanarak artar. Bu nedenle fizikçiler sıkça yarı-klasik yaklaşımlara başvurur: Sonucu fazla etkilemeyen ayrıntılar göz ardı edilirken, doğruluğu koruyacak kadar kuantum davranışı korunur. TWA, 1970’lerden beri bilinen bu yarı-klasik yöntemlerden biridir; ancak klasik biçimi enerjinin kazanılmadığı/kaybedilmediği, yani izole ideal kuantum sistemleriyle sınırlıydı.
GERÇEK DÜNYA İÇİN
Bu sınırlamayı aşmak üzere Marino’nun ekibi, TWA’yı gerçek dünyada karşılaşılan, parçacıkların dış kuvvetlerce itildiği-çekildiği ve çevrelerine enerji sızdırdığı dağıtıcı spin dinamikleri gibi daha karmaşık sistemlere genişletti. Ekipten aktarıldığına göre, birçok grup daha önce benzer bir hedefe yönelmiş olsa da asıl sorun erişilebilirlik ve uygulanabilirlikti.
TWA’yı yeni bir probleme uygulamak gerektiğinde matematiği baştan türetme zorunluluğu, araştırmacıları karmaşıklık duvarına çarpıyordu. Bu darboğazı aşmak için ekip, daha önce sayfalarca yoğun ve neredeyse okunması güç türetimleri, bir kuantum problemini çözülebilir denklemlere dönüştüren basit bir dönüşüm tablosuna çevirdi. Böylece fizikçiler yöntemi bir günde öğrenip, üçüncü günde çalışmada sunulan en zorlu örnekleri çözebilecek bir uygulama yol haritasına kavuştu.
SÜPER BİLGİSAYAR PAYI AZALACAK
Yeni yöntem, süper bilgisayar kümelerini ve yapay zekâ modellerini, gerçekten tam kuantum yaklaşım gerektiren çok karmaşık sistemler için saklamayı mümkün kılabilir. Bunlar yalnızca trilyonlarca değil, kimi zaman evrendeki atom sayısından fazla olası duruma sahip yapıtlardır. Marino’nun değerlendirmesine göre, “karmaşık görünen şeylerin önemli bir bölümü gerçekte o kadar karmaşık değil.” Bu nedenle tam kuantum tedbiri gerektiren sorunlar süper bilgisayarlara ayrılırken, geri kalan geniş sınıf yeni TWA çerçevesiyle hızla simüle edilebilir. Bu değişim, hesaplama maliyetini dramatik biçimde azaltırken, bilimsel keşfi hızlandırma potansiyeli taşıyor.
EĞİTİMDEN UYGULAMAYA
Araştırma ekibi, geçmişte TWA’yı kullanmayı düşünenlerin karşılaştığı yeniden-türetim zorunluluğunu ortadan kaldırdı. Yeni çerçevede dönüşüm tablosu, kuantum problemi → çözülebilir denklemler akışını standartlaştırıyor; böylece veri girişi sonrası saatler içinde güvenilir sonuçlar alınabiliyor. UB’de doktora sonrası araştırmacı olarak çalışan Oksana Chelpanova, fizikçilerin yöntemi bir günde öğrenip, yaklaşık üçüncü günde makaledeki en karmaşık problemlerden bazılarını çözmeye başlayabileceğini aktarıyor. Bu pratiklik, yöntemin eğitim, endüstri ve akademi üçgeninde hızla yayılmasını kolaylaştırabilir.
