Flatiron Enstitüsü’nün Hesaplamalı Kuantum Fiziği Merkezi’nden (CCQ) bir araştırmacı ekibi, daha önce klasik bilgisayar kullanan kuantum bilgisayarlara özel olduğu düşünülen bir sorunu çözmedeki başarılarının nedenlerini yakın zamanda ortaya çıkardı. Physical Review Letters’da yayınlanan sonuçları, dönen mıknatıslardan oluşan belirli bir iki boyutlu kuantum sisteminin, daha önce yalnızca tek boyutlu sistemlerde gözlemlenen davranışı sergilediğini gösteriyor.
Bu beklenmedik keşif, kuantum bilgisayarların ve klasik bilgisayarların yetenekleri arasındaki sınırın anlaşılması açısından önemli çıkarımlara sahiptir. Araştırmanın baş yazarı, CCQ’da araştırma görevlisi olan Joseph Tindall şunu belirtiyor: “Kuantum hesaplamayla yapılabilecekler ile klasik bilgisayarlarla yapılabilecekleri ayıran bir sınır var. Çalışmamız bu sınırın biraz netleşmesine yardımcı oluyor.”
Kuantum mekaniği ilkelerini kullanan kuantum bilgisayarlar, klasik bilgisayarlara göre hesaplama gücü ve hızında önemli avantajlar vaat ediyor. Ancak kuantum teknolojisi hâlâ emekleme aşamasında ve bilim insanları kuantum bilgisayarların hangi alanlarda avantaj sağlayabileceğini keşfetmeye devam ediyor.
Haziran 2023’te IBM araştırmacıları Nature dergisinde, zaman içinde gelişen bir dizi küçük mıknatıstan oluşan bir sistemi simüle eden bir deneyin ayrıntılarını içeren bir makale yayınladılar. Bu simülasyonun yalnızca kuantum bilgisayarla mümkün olabileceğini savundular. Tyndall ve meslektaşları, klasik bilgisayarları kullanarak karmaşık kuantum problemlerini çözmek için kendi algoritmalarını kullanarak, sorunu yalnızca iki hafta içinde çözerek, sorunun akıllı telefonda bile çözülebileceğini kanıtladılar.
Flatiron Enstitüsü ve New York Üniversitesi’nden Tyndall ve ortak yazar Dries Sels daha sonra bu sistemin klasik bir bilgisayar kullanılarak neden bu kadar kolay çözülebileceğini araştırdı. Sistemin kapalı kuantum sistemlerinde özel durumlarda ortaya çıkabilecek bir sınırlama sergilediğini buldular. Kısıtlama, karışıklığın miktarını azaltarak problemi klasik yöntemler kullanılarak tanımlanabilecek kadar basit hale getirir.
Tindall şöyle açıklıyor: “Bu sistemde mıknatıslar aniden yukarı fırlamayacak. Bunun yerine, çok uzun zaman ölçeklerinde bile aslında sadece başlangıç durumları etrafında salınacaklar. Bu, fizik açısından oldukça ilginç, çünkü bu, sistemin tamamen düzensiz olmaktan çok, çok özel bir yapıya sahip bir durumda kalması anlamına geliyor.”
Çalışmanın sonuçları, sınırlamanın bir dizi iki boyutlu kuantum sisteminde kendini gösterebileceğini gösteriyor. Tyndall ve Sels tarafından geliştirilen matematiksel model, bu sistemlerde meydana gelen fiziği anlamak için değerli bir araç sunuyor. Ayrıca makalede kullanılan kod, bilim adamlarının diğer kuantum problemleri için yeni bilgisayar simülasyonları geliştirmek için kullanabileceği bir kıyaslama aracı sağlayabilir.
Bu araştırma, kuantum bilgisayarların ve klasik bilgisayarların yetenekleri arasındaki sınırın daha iyi anlaşılmasına yardımcı oluyor ve yeni kuantum simülasyonlarının test edilmesi için bir temel sağlıyor. Tyndall’ın belirttiği gibi, “Kuantum fiziğindeki büyük açık sorulardan biri, dolaşıklığın ne zaman hızla büyüdüğünü ve ne zaman büyümediğini anlamaktır. Bu deney, kullanılan model ve kuantum işlemcinin iki boyutlu yapısı nedeniyle büyük ölçekli dolaşıklık elde edemediğimiz bir örneğin iyi anlaşılmasını sağlıyor.”