Yüksek enerji depolama kapasitesine sahip piller, daha verimli güneş hücreleri ve daha iletken malzemeler gibi gelişmeler, enerji sektörünün sürdürülebilir ve etkili hale gelmesine katkı sağlamak üzere makine öğrenmesi, yapay zeka veya bunları en hızlı işleyebilecek kuantum bilgisayar gibi araçların desteklenmesi büyük bir öngörü veya gelişim sağlayacaktır.
Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndan araştırmacılar, Quantinuum H1-11 kuantum bilgisayarının bütün özelliklerini kullanarak, halihazırdaki kuantum sistemlerinde bilimsel hesaplamalar için en iyi uygulamaları kullandılar ve şaşırtıcı bir bilimsel sonuç ürettiler2.
Moleküller arası enerji alışverişinde karmaşık elektronik/eksitonik yapıları niteliksel ve niceliksel olarak ele almak yoğunluk fonksiyonel teorisi DFT gibi programların altından kalkabileceği bir işlem olmaktan hala uzaktır. Tekli fisyon, moleküler bir reaksiyon türüdür ve moleküller arasında gerçekleşen enerji transferi süreçlerini tanımlar. Tek bir ışık fotonunun bir molekül tarafından emilmesinin iki uyarılmış durum oluşturduğu tekli fisyonu modelleyen ekip, doğrusal H4 molekülünün enerji düzeylerinin fisyon sürecinin şartlarına uygun olduğunu gösterdi. Doğrusal H4 molekülü, doğrusal biçimde düzenlenmiş dört adet hidrojen atomundan oluşmuştur.
Bir molekülün enerji düzeylerini belirlemek için tekli fisyon benzeri bir fenomende mevcut olan her bir kuantum halinin enerjileri ve bunların kendi aralarında nasıl ilişkili olduğu belirlenip karşılaştırılmaktadır. Doğrusal bir molekülün enerji düzeylerinin tekli fisyona uygun olduğu bilgisi, daha performanslı güneş panelleri yapmaya yönelik çalışmalarda işe yarar bir bilgi olabilir.
Geleneksel güneş pillerinin teorik maksimum verimi Schockley-Queisser Sınırı’na göre %33,7‘dir, ancak tekli fisyon sergileyen malzemelerin bu sınırı aşabileceği de görülmektedir. ORNL’nin Kuantum Hesaplamalı Bilim Grubunda bir araştırma bilimcisi ve projenin baş araştırmacısı olan Claudino, “Dezavantajı, belirli bir malzemenin tekli fisyon sergileyip sergilemediğini temel olarak anlamak çok zor. Spesifik bir enerji gereksinimi var ve bunu karşılayan malzemeleri bulmak zor.” dedi.
ORNL grubunun yüksek kesinliği sahip kuantum bilgisayarı, geleneksel bilgisayarlar için uygulanan yöntemlerde genel olarak bulunan yaklaşımları atlarken, tekli fisyon nitelikleri sunan molekülleri belirtmek amacıyla iyi bir simülasyon tekniği sunar.
Tekli fisyon oldukça fazla durumlu bir fenomendir, bu sebepten ötürü ORNL grubunun, doğru enerji sayılarını hesap etmek amacıyla bütün sürecin kuantum durumlarını başabaş bir şekilde belirtebilecek bir hesaplama yoluna gereksinim vardır. Peeters-Devreese-Soldatov (PDS) yaklaşımına göre bir kuantum çözücü olan ve Pacific Northwest Ulusal Laboratuvarı’nda geliştirilmesi yapılan PDS’ye yöneldiler.
PDS’nin yoğunluk fonksiyonel teorisinden daha yüksek doğruluk, birleştirilmiş küme teorisinden ise çok daha az hesaplamaya ihtiyacı vardır. Bundan kaynaklı olarak bir malzemenin enerjik niteliklerinin belirlenmesi için sıradan yöntemlerden daha fazlasına gereksinim vardır. PDS kuantum kimyasında yapılan simülasyonların kesinliğini ve performansını iyileştirmek amacıyla yapıldığı için, kuantum bilgisayarların muhtemel avantajlarından faydalanmak için çok uygundur.
Claudino, “Tekli fisyonun enerjileri, çifte elektronik uyarılma etrafında dönüyor. İki elektron aynı anda, iki daha yüksek enerji seviyesine çıkıyor. Bu da geleneksel bilgisayarlar için, algoritmalarla tespit edilmesi oldukça zordur” dedi.
“Ancak bir kuantum bilgisayarının temel çalışma şekli, bu tekli fisyon fenomenine yol açan kuantum korelasyonlarını doğal olarak ele alabilir. İşte o zaman, ‘evet, doğası gereği kuantum olan bir şeyi işlemek için kuantum bilgisayarı kullanmalıyız’ diye düşündük.” Bu çok iyi biliniyor. Ama sanırım bu özel problem için bir uygulama olduğunu ilk fark eden biz olduk.”
Quantinuum aracılığıyla yapılmış kurumsal kullanım için hazır bir kuantum bilgisayar olan H1-1’e ulaşım, DOE Office of Science kullanıcı tesisi olan Oak Ridge Leadership Computing Facility’deki Quantum Computing Kullanıcı Programı aracılığıyla sağlandı.
OLCF’nin exascale sınıfı Frontier benzeri süper bilgisayarlara göre şuan oluşum basamağında olan kuantum hesaplama, yapılan hesaplamalar için kuantum bitleri veya kübitleri kullanır. Sıradan bilgisayarlarda kullanılan ikili bitlerin tersine, kübitler 1 ve 0’ları aynı anda karışık bir süperpozisyonda kullanma amacıyla 1 ve 0’ların ötesine geçerek işlem gücünü fazlasıyla artırır. Fakat kuantum bilgisayarlar hala daha yüksek hata oranlarına sahiptir. Ekibin de doğru ve güvenilir sonuçlara ulaşmak için bu sorunu telafi etmeleri gerekiyordu.
ORNL ekibi, hesaplama süresi açısından iş yükünü hafifletmek için üç farklı strateji uyguladı. Bu şekilde çözümü bulma süresini aylardan, birkaç haftaya düşürdü. İlk önce kübit daraltma adı verilen bir yöntemle, sorunu ifade etmek için ihtiyaç olan kübit sayısını düşürerek sorunun boyutunu küçülttüler. Ardından gruplardaki her terimi tek tek ölçmek yerine terim gruplarını sadece bir kere ölçerek sorunu çözmek için daha az ölçüm yaptılar. Son olarakta bütün devreleri tek tek çalıştırmak yerine, dört devreyi paralel şekilde çalıştırmanın bir yolunu keşfederek H1-1’deki 20 kübitin hepsinin kullanılmalarını sağladılar (Şekil 2).
Claudino, “Tüm bunları bir kuantum bilgisayarına aktarmak istersek, mevcut teknoloji için hala çok fazla olduğundan dolayı işe yaramayacağını fark ettik. Buradaki fikir, kuantum bilgisayardan yararlanmanın bir yolunu tasarlamak istemenizdir, ancak yalnızca geleneksel bilgisayarlardan daha iyi performans gösterebileceklerini bildiğimiz belirli görevler için” dedi.
“Yine de, o zaman bile, yalnızca belirli bir boyuta kadar çıkmamıza veya yalnızca bu kadar uzun süren görevleri yerine getirmemize izin veren mevcut teknik durumla sınırlısınız. Kuantum bilgisayarlara yönelirken karşılaşılan en büyük darboğaz bu.”
ORNL ekibinin projesi, günlük yaşamımızda bizi etkileyecek sorunları çözebilmek için mevcut kuantum bilgisayarların kullanılabileceğini gösterdi.
Claudino, “Kullandığımız yaklaşımlar daha önce yayınlanmış olsa da, yaygın olarak benimsenmekten uzak olduklarını söyleyebilirim. Bu tür yaklaşımların kullanılması için güçlü bir örnek oluşturduğumuzu düşünüyorum. Araştırmacılar, bu tekniklerden yararlanmayarak kuantum kaynaklarını boşa harcayabileceklerini ve simülasyonlarındaki hataları potansiyel olarak artırabileceklerini göz önünde bulundurmalıdır.” dedi.
Kaynaklar