Net sıfırın kavramsal inovasyonu, karbonsuzlaştırılmış endüstrilerin mühendislik becerisi, akıllı şehirler inşa etmenin fiziksel uygulamalarında olduğu gibi iklim değişikliğiyle mücadele, insan becerilerinin tam anlamıyla bir araya gelmesiyle mümkün olacaktır. Dünya genelinde, aşırı ısınan gezegenimizin yıkıcı etkilerini önlemek için düşüncelerimiz ve eylemlerimiz daha önce hiç olmadığı kadar uyumlu olmalıdır.

Çabalarımız yeni bir müttefik tarafından “kuantum bilişimi” ile süslenseydi, hedeflerimiz ne kadar daha gerçekçi olurdu veya karşılaştığımız zorluklar ne kadar kolay olabilirdi?

Cevabı keşfetmek üzereyiz.

Muhtemelen kuantum bilişim terimiyle karşılaşmışsınızdır. Belki fazla üzerinde durmamış, belki de hiç dikkat etmemişsinizdir. Bu alanda çalışmıyorsanız günlük hayatınıza pek bir etkisi olmamış olabilir. Ancak her şey planlandığı gibi giderse bu durum değişmek üzere demektir.

Kuantum bilişimi, en son matematik, fizik ve bilgisayar bilimini benzersiz bir güce ve hıza sahip işlemciler tasarlamak için bir araya getiren çok disiplinli bir teknoloji olarak düşünülebilir.

Bu teknoloji, sorunları geleneksel (mikro) transistörle çalışan bilgisayarlardan önemli ölçüde daha hızlı çözmek için üstdüşüm ve dolaşıklık (subatomik düzeyde partiküllere özgü fiziksel davranışlar) gibi kuantum mekanik etkilerden yararlanır.

İşte bu hız, kuantumun potansiyelinin anahtarıdır. Kuantum teknolojisinin en güçlü süper bilgisayardan 158 milyon kat daha hızlı olduğu tahmin ediliyor, modern bir süper bilgisayarın 10.000 yılı aşkın bir sürede başarabildiği bir şeyi 200 saniyede yapabiliyor.[1]

10.000 yıllık birikim saniyeler içinde tamamlandı

Nasıl çalışıyor? Geleneksel hesaplama, belirli bir sorguda 1 veya 0’ı (evet veya hayır; açık veya kapalı) temsil eden ikili transistörlere dayanır. Buna karşılık kuantum hesaplama, durumların bir üstdüşümü olarak aynı anda hem 1 hem de 0’ı temsil edebilen kuantum bitlerinin, diğer bir ifadeyle “kubitlerin” gücünden yararlanır.

Durumların bu çoğulluğu, yalnızca 30 kubitlik bir kuantum bilgisayarının saniyede 10 milyar kayan nokta işlemi gerçekleştirmesini mümkün kılabilir.[2] Aerodinamik modelleme, ilaç geliştirme, tedarik zinciri optimizasyonu, gen tedavisi ve daha pek çok karmaşık ve maliyetli araştırma alanları için ileriye dönük potansiyel sıçramaları düşünün.

Kuantum işlemcileri, yakından bağlantılı bir sistem içinde ilgili bir tanesini ölçerek parçacık hakkında varsayımlarda bulunabilir. Bu, dolaşıklık olarak bilinen bir özelliktir. Örneğin bir kubitin saat yönünde dönmesi, karşılık gelen bir kubitin saat yönünün tersine dönmesiyle eşleştirilmelidir. Bir kubitin kuantum durumunu ölçmek, dalga fonksiyonunun çökmesine, mesafeye bakılmaksızın diğer kubitlerle ilgili durumunu ilişkilendirmesine ve büyük ölçüde karmaşık toplamların neredeyse anında çözülmesine olanak tanır. Bu sayede kuantum bilişimin gücü, kubit sayısıyla doğru orantılı şekilde katlanarak artar.

“Kuantum bilişim” terimi, geleneksel masaüstü bilgisayarları ve tozlu klavyeleri çağrıştırdığı için biraz yanıltıcıdır. Gerçek şu ki kuantum ve geleneksel bilgisayar, birtakım benzerlikler taşıyan ancak pek çok açıdan da farklılıkları olan iki paralel dünyadır. Bunlardan en önemli üç tanesi:

  • Programlama dili: Quantum bilişimin kendi programlama kodu yoktur ve çok özel algoritmaların geliştirilmesini ve uygulanmasını gerektirir.
  • Fonksiyonel Özellikler: Kuantum bilgisayarlar, günümüzdeki kişisel bilgisayarların (PC) aksine günlük kullanım için tasarlanmamıştır. O kadar karmaşıktırlar ki sadece kurumsal, bilimsel ve teknolojik alanlarda kullanılabilirler.
  • Mimari: Kuantum bilgisayarlar geleneksel bilgisayarlara göre daha basit bir mimariye sahiptir ve bellekleri veya işlemcileri yoktur. Çalışmasını sağlayan ekipman yalnızca birkaç kubitten ibarettir.

Kuantum bilişim geliştikçe optimizasyon, makine öğrenimi ve fiziksel veya moleküler kimyasal sistemleri simüle etme gibi üç geniş alanda günümüzün en hızlı ve en güçlü “süper bilgisayarlarının” bile ötesinde sonuçlar sunan devrim niteliğinde uygulamalara sahip olacaktır.[3]

  • Optimizasyon: Sektörlerdeki iyileştirmelerin tahmin edilmesi normal şartlarda zor ve denemesi pahalıdır; ancak kuantum bilişim; daha düşük malzeme maliyetleri, akıcı işleyen lojistik, ürün performansında iyileştirmeler ve nihayetinde daha yüksek yatırım getirisi gibi beklenmedik verimler elde etmek için birden fazla değişkenle başa çıkabilir. Kuantum bilişim, minimum çaba ve risk karşılığında iyiyi mükemmele dönüştürebilir.
  • Simülasyon: Geleneksel bilgisayarlar, iki karmaşık özellik arasındaki etkileşimin kalitesini verimli veya doğru bir şekilde hesaplayamaz. Maddeleri simüle eden ve neredeyse sınırsız yinelemelerle çalışan kuantum bilişim, daha öncesinde zahmetli ve zaman alıcı bir süreci otomatikleştirir. Moleküller arasındaki etkileşimlere ışık tutmak, yeni bir ilaç, madde ve kimyasal türü ortaya çıkarmamıza yardımcı olacaktır.
  • Makine öğrenimi: Kuantum ile geliştirilmiş makine öğrenimi (kuantum bilgisayarda klasik verileri analiz eden algoritmalar), geleneksel makine öğrenimine zaten aşina olan işletmelere ve sektörlere ekstra değer sunacaktır. Yeni kuantum araçları, ölçülebilir şekilde daha fazla hesaplama hızı ve veri depolama kapasitesi sunacaktır.

Peki bu büyük faydalar göz önüne alındığında, kuantum bilgisayarlarımız şu anda neredeler ve onların yavaş çalışan mikroçipli seleflerini neden çoktan emekliye ayırmadık? Sonuçta kuantum bilişimde neredeyse her hafta çığır açan gelişmeler bildiriliyor; bu sektör en genç ve en parlak beyinleri bir mıknatıs gibi kendine çekiyor ve yeni kurulan kuantum şirketleri dünya genelinde büyük bir coşkuyla finanse ediliyor. Bu gecikmenin sebebi nedir?

Bu konuda yaygın bir heves ve iyimserlik olsa da bu teknoloji halen geliştirilme aşamasındadır. Mevcut NISQ (Gürültülü Ara Ölçekli Kuantum) cihaz jenerasyonumuz, performanslarını sınırlayan ve uyumsuz bir durum olarak bilinen kubitlerin kalitesinde ve stabilitesinde hatalara yatkındır.

Öte yandan, teknolojinin sürekli olarak geliştirilmesiyle birlikte gerçek bir kuantum devrimi düşündüğümüzden çok daha erken gelebilir. Mevcut trendler, hataya dayanıklı 1. nesil kuantum bilgisayarların (rastgele düşük seviyelerde mantıksal hata oranlarına sahip olanlar) 2020’li yılların sonuna doğru piyasada yerini alabileceğini gösteriyor. İşte asıl o zaman iklim değişikliğine karşı koyma potansiyelinin kapsamı daha net bir şekilde ortaya çıkacaktır.

Endüstriye enerji sağlıyor ve karbonu yakalıyor

Bugünün teknolojisini kullanarak net sıfır emisyon hedeflerini yakalamak neredeyse imkansız gibi görünüyor. Ne yazık ki 2021 Birleşmiş Milletler İklim Değişikliği Konferansı’ndaki (COP26) taahhütler tam olarak uygulansa bile 2050 yılına kadar küresel sıcaklık 1,7 °C ila 1,8 °C artacak ve iklim değişikliğinin en kötü etkilerinden kaçınmak için gerekli olduğu düşünülen 1,5 °C sınırını aşacaktır.[4]

Öte yandan, kuantum bilişimin muazzam potansiyeli bu iç karartıcı tahminleri altüst edebilir. Kuantum bilişim, bazı tahminlere göre 2035 yılına kadar karbon çıktısını yılda 7 milyar tonun üzerinde azaltabilen teknolojilerin geliştirilmesini sağlayabilecek ve bu da 1,5 °C’yi bir anda yeniden uygulanabilir bir hedef haline getirebilecektir.

Kuantum bilişim, ölçek büyütmeye en çok ihtiyaç duyan teknolojilerin yaygınlaşmasını teşvik ederek veya bir zamanlar müdahaleye açık olmadığı düşünülen emisyon bakımından yoğun sektörlere çevreci yetkinlikler getirerek önemli bir katkıda bulunabilir. Kuantum bilişim alanında önümüzdeki yıllarda bizleri nelerin beklediğini bilebilir miyiz?

Elektrifikasyon: Geniş kapasiteli ve dayanıklı piller, rüzgar ve güneş enerjisi gibi değişken enerji kaynaklarının şebeke ölçeğinde depolanması için hayati önem taşır. Bununla birlikte 2011 ve 2016 yılları arasında %50 olan pil enerji yoğunluğundaki gelişim oranları 2020 ve 2025 arasında tahmini %17’lik bir artışla keskin bir şekilde yavaşlamıştır. Elektrolit kompleks oluşumunun daha ayrıntılı bir şekilde analiz edilmesine imkan veren Kuantum bilişim, katotlar/anotlar için ikame bir malzemeye işaret edebilir ve pil ayırıcılarına olan ihtiyacı ortadan kaldırabilir.

Bir çalışmaya göre, şebeke ölçeğinde enerji depolamanın maliyetini yarıya indirmek, 2050 yılına kadar Avrupa genelinde güneş enerjisi kullanımını %60 oranında artırabilir.[5] Buna paralel olarak, %50 daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip pillerin ağır hizmet araçlarında yaygın olarak kullanımı, gereken iş koşullarını hızlandıracaktır.

Tarım: Düşük metanlı yem katkı maddeleri, sığırlardan yıllık olarak salınan 7,9 milyar ton CO2 miktarını %90 oranında azaltabilir. Kuantum bilişim, antikorların sığır bağırsağında doğru mikroplara bağlanmalarına yardımcı olarak metan oluşumunu önleyen bir aşının geliştirilmesine yardımcı olabilir.

Karbon yakalama: Karbonun havada yakalanması ve hapsedilmesi prensipte işe yarasa da şu anda çok pahalı bir yöntemdir. Quantum bilişim hem “kaynak noktasında yakalama” hem de “doğrudan havada yakalama” teknolojilerinin maliyetlerini önemli ölçüde azaltmaya hazırdır.

Kaynak noktasında yakalama yöntemi kapsamında, CO2 doğrudan endüstriyel fırınlar gibi yoğun kirlilik kaynaklarından yakalanır. Quantum bilişim, prosese entegre çok aşamalı solventler için optimum moleküler yapıları modelleyerek çeşitli CO2 kaynaklarındaki yakalama verimliliğini artırır ve maliyetleri neredeyse yarı yarıya kadar azaltır.

Doğrudan havadan yakalama yönteminde CO2 hem pahalı hem de enerji bakımından yoğun bir sistemde doğrudan atmosferden yakalanır. Kuantum bilişim, CO2’yi günümüzün karşılaştırılabilir teknolojisinden çok daha verimli işleyebilen metal organik çerçeveler (MOF) gibi yeni emici maddelerin tasarlanmasına yardımcı olacaktır.

Elektrik ve yakıt: Mevcut kristal silisyum güneş enerjisi hücreleri yaklaşık %20 verimlilikle çalışmaktadır. Kuantum bilişim, perovskit kristal yapılarını temel alan %40 verimli güneş enerjisi hücreleri vadediyor. Perovskit dayanıklı değildir ve bazı bileşimlerde toksik etki gösterir. Kuantum bilgisayarlar, perovskit yapılarını farklı baz atomları kullanarak birden fazla permütasyonda simüle ederek, uzun ömürlü ve toksik olmayan çözümler tasarlayacak ve potansiyel olarak güneş enerjisi maliyetini yarı yarıya azaltacaktır.

Üretimi maliyetli ve enerji yoğun olan amonyak, şu anda dünyanın enerji kullanımının sadece %2’sini oluşturuyor. Nitrojenaz biyoelektrokataliz, amonyakların mevcut fiyatının çok altında nasıl temiz bir şekilde üretilebileceğine dair kışkırtıcı bir bakış sunuyor. Bu işlem, yapay olarak “nitrojen fiksasyonunu” taklit eder; bu sayede bitkiler nitrojeni doğrudan havadan emer ve amonyak haline dönüştürür. Nitrojenaz, oda sıcaklığında ve 1 bar basınçta çalışarak mevcut 500 °C Haber-Bosch yönteminin verimliliğini gölgede bırakır. Bu teknoloji henüz ölçek büyütmeye hazır olmasa da enzim stabilitesi ve düşük çıkış oranları ile ilgili sorunların kuantum bilişimi sayesinde hızla çözülmesi beklenmektedir. On yıl içinde amonyağın bir sevkiyat yakıtı olarak yaygın bir şekilde kullanılmasıyla gübre endüstrisinin CO2 yükünün azalmasının yanı sıra tahmini %67’lik maliyet düşüşünün gerçekleşmesi de hızlanabilir.[6]

Yüksek maliyet de çevre dostu hidrojen için engelleyici bir faktör olmuştur; ancak elektroliz sürecinin rafine edilmesi sonucunda doğal gaz ile ticari anlamda eşit seviyeye gelmesine yardımcı olabilir. Su “ayırma” işlemi için polimer elektrolit membran (PEM) elektrolizatörlerinin mevcut üretim yöntemi, membranlar ve katalizörler arasındaki zayıf arayüz nedeniyle ortaya çıkan verimsizlikten ve dayanıksızlıktan dolayı kayıplar yaşar. Kuantum bilişim, verimliliği artırmak için farklı enerji durumlarını simüle ederken kimyasal olarak daha uyumlu katalizörleri ve membranları tanımlayabilir. Bir grup araştırmacı, küme genişlemesi adı verilen bir tekniği kullanarak yüz katrilyonlarca malzeme tasarımını analiz edebilmiştir. Sonuçlar, ekibin antimon, manganez, oksijen, rutenyum ve kromdan oluşan keşfedilmemiş bir malzeme dizisi oluşturmasını sağlamıştır. Bu malzeme dizisi, şu anda piyasada bulunan bir sentezinden sekiz kat daha yüksek katalizleme aktivitesi sergilemektedir.[7] Çevre dostu hidrojen üretiminde %100 verimlilik oranı, üretim maliyetlerini üçte bir oranında azaltabilir.

Endüstri: Küresel ısınmayla mücadelede ne kadar hayati bir öneme sahip olsa da inşaat endüstrisinin bir gecede durması mümkün değil. Dünyada bir yılda 4 milyar tondan fazla çimento tüketiliyor. Bu malzeme; evlerimizi, fabrikalarımızı, yollarımızı ve hastanelerimizi yapmak için kullanılan betondaki çok önemli bir bağlayıcı maddedir.

Ne var ki çimento üretimi yılda yaklaşık 2,5 milyar ton CO2 salınımıyla küresel toplam salınımların yaklaşık %8’ine neden oluyor. Şu anda piyasada uygun fiyatlı çimento alternatifleri bulunmamaktadır. Kuantum bilişim, dayanıklı ve kirletici olmayan bir alternatif ürün tasarlamak için farklı malzeme kombinasyonlarının simüle edilmesinde kullanılarak maliyetli çalışmaların getirdiği masrafları ortadan kaldırabilir. Bazı tahminler, bunun 2035 yılına kadar emisyonları yılda 1 milyar tona kadar azaltabileceğini göstermektedir.

Tüm bu öngörülerin ışığında bile aslında kuantum bilişimin yapacağı en büyük atılımlar hepimizi şaşırtacak nitelikte olabilir. Bu teknolojinin kilidini açabileceği alanları henüz kavramsal olarak tasavvur edemiyor olabiliriz. Kuantum mekaniği son derece küçük ölçekte çalışıyor gibi görünse de etkileri küresel olacaktır.

Kuantum, iyilik için bir güce nasıl dönüşebilir?

Kuantum bilişim de yapay zeka gibi akıllıca kullanılırsa BM’nin Sürdürülebilir Kalkınma Hedefleri’nin birçoğu için olumlu sonuçları teşvik etme potansiyeline sahiptir. Açlığa Son, Sağlıklı Bireyler, Erişilebilir ve Temiz Enerji, Sanayi, Yenilikçilik, Altyapı, Sürdürülebilir Şehirler ve Topluluklar dahil olmak üzere girişimlerin tümü kuantum teknolojisinden faydalanmaya hazırdır.

Bunlar, bizi şu anda kuantum bilişimin karşı karşıya olduğu bazı engellere akıllı çözümler bulmaya zorlayan değerli hedeflerdir.

Örneğin, kuantum bilgisayarların çoğu şu anda -273 °C’de kriyojenik buzdolapları içinde çalışmaktadır ve bu aşırı soğutma gereksinimleri nedeniyle hala standart bilgisayarlardan daha fazla güç tüketmektedir.[8] Geliştirilmekte olan kuantum bilgisayarlar, kubit soğutma ihtiyacını tamamen ortadan kaldırabilir. Örneğin ORCA Computing’in kuantum bilişim sistemi, kriyojenik soğutma olmadan oda sıcaklığında kubitler için tekli fotonlar kullanır. Sıkışmış iyonlu kuantum hesaplama yöntemi de aynı şekilde daha az aşırı sıcaklıklarda çalışarak bilgileri minimum güç ile işlemelerini ve neredeyse hiç ısı üretmemelerini sağlar.[9]Yapılan bir çalışmada, kuantum bilgisayarların geleneksel süper bilgisayarlara kıyasla enerji kullanımını 20 kattan daha fazla azaltabileceği öne sürülmüştür.[10]

Geriye kalan bazı soru işaretleri de var. Kuantum bilişim, zengin ve fakir ülkeler arasındaki eşitsizliği derinleştirecek mi? Yeni kurulan şirketlerin sektöre girişini daha da zorlaştırarak var olan işletmeleri haksız yere koruyacak mı? Peki kuantum bilişimin küresel durgunluk, COVID-19 ve yapay zeka üçlüsünden hala sıyrılamayan iş gücü piyasası üzerindeki etkilerine ne demeli? Kuantumun veri ve gizlilik taleplerinde fark atan olağanüstü hesaplama gücü nedeniyle modern şifreleme standartları kullanılmaz hale mi gelecek?

Hükümetler, kuantum bilişimin sadece küçük bir azınlık için değil; çok sayıda kişi için fayda sağlaması konusunda üzerlerine düşeni yapmalıdır. Karbon yakalama gibi özellikle finansal açıdan riskli alanları ve afet tahmini gibi şu anda yeterince destek alamayan insani yardım projelerini hedefleyen yüksek öğrenim araştırma programlarının geliştirilmesine ve finanse edilmesine yardımcı olmalıdırlar. Halihazırda mevcut olan ortaklık örnekleri arasında IBM ve Birleşik Krallık hükümeti arasındaki mevcut iş birliklerini[11], Hollanda kamu-özel ortaklığı Quantum Delta’yı veya ABD ve Birleşik Krallık tarafından 2021’de başlatılan ortak kuantum bilimi ve teknoloji girişimini görebilirsiniz[12].

Şu anda kuantum bilişimdeki yükseliş trendinin başlangıcında olduğumuzu düşünüyorum; ancak şimdiden yükseklere bakabilir ve bizi bekleyen zirveleri görebiliriz. Özel sektör ve kamu sektörleri genelinde zirveye doğru giden bu güzergahın herkes için erişilebilir olmasını ve varılan noktanın karşılıklı kazançlar getirmesini sağlamak için açık diyalogu sürdürmeliyiz. Kuantum teknolojisi, finanstan ulusal güvenliğe, telekomünikasyon ve mühendisliğe kadar tüm toplumsal alanlarda büyük değişimler vadediyor. Geleneksel bilgisayarlara göre performans üstünlüğünü ifade eden “kuantum avantajı” durumuna eriştiğimizde kuantum bilişim belki de var olan en büyük tehdidimizi, iklim değişikliğini sabit tutabilir veya tersine çevirebilir.

Optimizasyon, simülasyon ve kuantum destekli makine öğrenimi. Kuantum bilişimin devrimsel gücüyle ortaya çıkan üç temel kavram. Dünyayı kurtaramayabilirler ancak onu kalıcı olarak değiştirecekleri kesin.

 

[1] https://www.mckinsey.com/featured-insights/mckinsey-explainers/what-is-quantum-computing

[2] https://www.iberdrola.com/innovation/what-is-quantum-computing

[3] https://prod.ucwe.capgemini.com/wp-content/uploads/2022/10/Quantum-Technologies__Sustainability_20-09-2022_final.pdf

[4] https://www.mckinsey.com/capabilities/mckinsey-digital/our-insights/quantum-computing-just-might-save-the-planet

[5] https://www.mckinsey.com/capabilities/mckinsey-digital/our-insights/quantum-computing-just-might-save-the-planet

[6] https://www.mckinsey.com/capabilities/mckinsey-digital/our-insights/quantum-computing-just-might-save-the-planet

[7] https://www.powerengineeringint.com/hydrogen/quantum-computing-techniques-reveal-improved-catalyst-for-green-hydrogen/

[8] https://projectqsydney.com/could-quantum-computing-help-curb-ais-carbon-footprint/

[9] https://www.techuk.org/resource/could-quantum-computing-hold-the-key-to-sustainability.html

[10] https://www.ornl.gov/news/energy-quantum-computing-efficiency

[11] https://newsroom.ibm.com/2021-06-03-UK-STFC-Hartree-Centre-and-IBM-Begin-Five-Year,-210-Million-Partnership-to-Accelerate-Discovery-and-Innovation-with-AI-and-Quantum-Computing

[12] https://www.whitehouse.gov/ostp/news-updates/2021/11/04/the-united-states-and-united-kingdom-issue-joint-statement-to-enhance-cooperation-on-quantum-information-science-and-technology/