Boğaziçi’nden kuantum bilgisayarın temelleri için adım…

Yrd. Doç. Dr. İlke Ercan’ın projesi, Boğaziçi-MIT MISTI Çekirdek Fonu’na kabul edildi

Boğaziçi Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü öğretim üyesi Yrd. Doç. Dr. İlke Ercan, lisans eğitimini ODTÜ’de tamamladıktan sonra yüksek lisans ve doktora çalışmalarını ABD’de sürdürdü. 2014 yılında doktorasını Massachusetts Üniversitesi’nden alan ve 2015 yılı sonbaharından bu yana Boğaziçi Üniversitesi’nde öğretim üyesi olarak görev yapan İlke Ercan, Fizik ile Elektrik –Elektronik alanlarını buluşturan çok disiplinli araştırma projeleri yürütüyor. Araştırmalarında geleceğin bilgisayar ve bilgi-işlem teknolojilerinin ne yöne evrileceği konusunda teorik yaklaşımlara odaklanan Ercan, Optik Mikro-halka Rezonatörlerinin Bilgi-İşlem Enerji Limitleri başlıklı projesiyle kısa süre önce Boğaziçi Üniversitesi’nin MIT ile ortak oluşturduğu Çekirdek Fon’dan kabul aldı.

Dilerseniz yürütmekte olduğunuz güncel araştırma konularınızla başlayalım…

İlke Ercan- Şu anda bilgi işlemde kullanılan ve bilgisayarlarımız ile telefonlarımız gibi gündelik hayatta kullandığımız birçok elektronik aletlerin içerisindeki çiplerin yapıtaşı olan silisyum (silikon) teknolojisinin geliştirilebilirlik limitinin önümüzdeki on yıl içerisinde sona ermesi bekleniyor. Bununla ilgili çok farklı alanlarda çalışmalar yapan araştırmacılar var. Örneğin, bizim bölümümüzde, MEMS (Mikro-Elektro Mekanik Sistemler) alanında çalışan hocalarımız alternatif elektronik çözümler üzerinde çalışıyorlar. Bilgisayar mühendisliği alanında da bu soruna programlama ve işlemci seviyesinde çözüm bulunmaya çalışılıyor. Malzeme bilimciler ise silisyum olmazsa ne tür malzemeler olabilir bunu araştırıyorlar. Zira şu anda kullandığımız bilgisayar teknolojilerinin sonuna geleceğiz. Artık daha küçük ve daha hızlı çalışan çipler oluşturamıyor olacağız. Bu noktada, "Peki ne yapacağız?" sorusu ortaya çıkıyor.

Ben laboratuvara girip başka bir malzeme veya farklı bir devre tasarımı denemiyorum. Benim yaptığım, daha ziyade, teorik yöntem geliştirerek farklı devre önerileri sunulduğunda uzun vadede hangisinin daha yüksel performans ile çalışacağı ve daha uzun ömürlü olabileceği, hangisine yatırım yapmanın daha akılcı olabileceği üzerine çalışmak...

Şu anda nano teknolojinin gelişmesiyle beraber, bu zamana kadar bilgi işlem teknolojilerinde görmeye alışık olmadığımız birtakım fenomenler görüyoruz. Bunlar kuantum etkilerden kaynaklanıyor. Lisans eğitimimde ODTÜ'de Fizik ve Felsefe Bölümlerinde eğitim almıştım. Amerika'ya gidince Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği üzerine yüksek lisansım ve doktoramı yaptım. Yaptığım şey, nano seviyede görülen kuantum etkileri de hesaba katarak, alternatif bilgi-işlem teknoloji önerilerinin arasında hangilerinin daha iyi performans sağlayacağını araştırmak. Bunun adına "temel limitler" deniyor.

Bir başka deyişle, önümüzdeki çağın bilgi-işlem teknolojilerinin temel limitlerinin teorik olarak hesabını yapıyorum. Doktora çalışmalarımda araştırmalarımı ağırlıklı olarak silisyum-sonrası teknolojiler kapsamında önerilen elektronik devrelere odaklamıştım. Buraya geldikten sonra, bu sebeple elektronik anabilim dalı altında çalışmaya başladım. Yakın zamanda, araştırma konumu biraz daha geliştirmek amacıyla fotonik sistemler üzerine de çalışmaya başladım.

Massachusetts Institute of Technology ile Boğaziçi Üniversitesi’nin kurduğu Çekirdek Fon’dan kabul aldı

Boğaziçi Üniversitesi ve Massachusetts Institute of Technology (MIT) arasında bir Seed Fund girişimi bulunuyor. 2017 Yaz döneminde MIT'de kısa dönem bir araştırma ziyaretine gittim. Oradaki bulgularımızla Boğaziçi-MIT Seed Fund başvurusu yaptık. Başvurumuz olumlu sonuçlandı. Bundan sonraki süreçte, bu zamana kadar elektronik teknolojilerin temel limit üzerine yaptığımız hesaplamaları artık düşük enerji ile çalışan ve mikro-halka rezonatörleri kullanılarak yapılan fotonik bilgi-işlem devrelerine de uygulayacağız. Bu zamana kadar üzerinde çalıştığımız sistemlerde farklı olacağı için bu proje araştırmalarımda yeni bir dönem başlatacak. Ayrıca yaptığımız teorik hesaplamaları MIT’deki laboratuvarlarda test edebilecek olmak da bir o kadar heyecan verici.

Bunun yanında, gelir gelmez TÜBİTAK'tan aldığım bir kariyer geliştirme projesi var. O projede de tamamen alternatif bir devre teknolojisinin performans limitleri üzerine çalışıyoruz, bu devrelere Brown Devreleri deniyor. Brown hareketi denen rastlantısal hareketten esinlenerek öne sürülen Brown devreleri nano seviyede ortaya çıkan gürültüyü (noise) baskılamaya çalışmak yerine bu gürültüyü kullanarak bilgi-işlemeyi sağlayan devrelerden oluşuyor. Bunun yanında, üzerinde çalıştığımız diğer bir proje de BAP'tan aldığımız destekle devam ediyor. O da, bu zamana kadar elektronik devre düzeyinde yaptığımız analizleri işlemci seviyesine daha kompleks sistemlere genişletmek üzerine kurulu. Araştırma grubumdaki öğrencilerle hem teorik hem de bilgisayar simülasyon yöntemleri kullanarak bu yeni geliştirilen alternatif devrelerin ve işlemcilerin performansını yaygın kullanılan sistemlerinkiyle karşılaştırıyoruz. Henüz küçük bir araştırma grubum var ve öğrencilerin üçte ikisi Fizik Bölümü'nde çift anadal yapan öğrenciler. Çoğunlukla, elektronik ve fiziği bir arada çalışmak isteyen öğrenciler benimle çalışmayı tercih ediyorlar.

Klasik hesaplama yapan geleceğin elektronik ve fotonik devrelerine ek olarak bir de kuantum bilgisayarların bilgi-işlem teknoloji uygulamalarının performans analinizi yapmak istiyoruz. Bu üç koldan yani Fotonik, Elektronik ve Kuantum haberleşme-hesaplama üzerine ilerleyen bir araştırma grubu yürütüyorum.

Moore Kanunu’ndan sonra bilgi teknolojilerinde neler bekleniyor?

Silisyum teknolojisinin artık sonuna geliyoruz dediniz. Bu ilginç bir nokta. Bundan sonrası için nasıl bir öngörü var? Ne kadar daha bu teknoloji mevcut olacak hayatımızda ve sonrasında bu bahsettiğiniz açılımlarla teknolojide nereye doğru ilerlenecek?

Günlük hayatımızda kullandığımız elektronik teknolojilerin değişmesi ve bundan ötürü bizim hayatımızı etkilemesi herhalde bir 20-30 seneyi bulacaktır. Ama araştırmacılar açısından önümüzdeki 10 sene içerisinde olabilecek bir değişiklik çok yakın anlamına geliyor, çünkü önerilen değişikliğe göre altyapıların da değiştirilmesi gerekiyor.

Dünyanın büyük teknoloji şirketlerinden olan Intel'in kurucularından Gordon Moore'un 1965 yılında gündeme getirdiği, kendi adını verdiği bir kanun var. Moore Kanunu aslında kanundan ziyade bir öngörü. Günümüz teknolojisinin temeli olan silisyum elementi diğer yarı iletkenler arasında hem bulunması, hem işlemesi, hem de dayanıklılığı göz önünde bulundurulunca en verimli olanı. Genellikle silikon teknolojileri de deniliyor bu teknolojiye, hatta adına adanmış bir vadi de var biliyorsunuz Amerika’da; Silikon Vadisi.

Silikon Vadisi'nin de kurucularından olarak görülebilecek Gordon Moore'un söylediği şu ki, kullandığımız çiplerin içerisindeki işlemci sayısı her iki yılda bir, iki katına çıkacak ve bu artarak devam ediyor. Geçtiğimiz üç dört yılda "Moore Kanunu bitiyor, sonrasında ne olacak?" şeklinde birçok spekülasyon oldu. Benim yaptığım da hakikaten Moore Kanunu'nda sonra ne olacağını, Moore'dan sonraki bilgisayar teknolojilerinin nereye evrileceğini araştırmak.  

Peki, Moore Kanunu sonrası bu alanda neler olması muhtemel?

Konu üzerindeki tartışmalarda, öncelikle malzemeyi değiştirmek üzerine yapılan öneriler var. Farklı yarı iletkenler kullanarak yapılan devre önerileri ilk sırada. Şu anda Intel'in fabrikalarında da kullanılan üretim teknolojilerini kullanarak aynı düzenek ile farklı malzeme kullanarak bunu ne kadar geliştirebiliriz diye bakılıyor. Bu kapsamda ilk etapta malzemeler değişebilir. Sonra o hesaplama tekniklerinde değişikliğe gidilebilir, yukarıda bahsettiğim üzerinden çalıştığımız Brown devrelerinde olduğu gibi. Daha uzun vadede düşünürseniz, mesela moleküler haberleşme ve hesaplama gelecekte olabilecek çözümler arasında görülüyor. Ondan da sonrası kuantum haberleşme gibi görülüyor.

Kuantum haberleşme kavramını biraz açabilir misiniz? Haberleşmenin hızı çok üst seviyelere mi gelecek ya da görüntülü veya sesli daha hızlı bir haberleşme sistemi mi olacak?

Klasik haberleşme ve hesaplama yapan sistemlerde matematiksel olarak tanımladığımız bilgi-işlem bit’lerini --0'ları ve 1'leri-- fiziksel sistemlere yüklüyoruz; örneğin elektronların kendi etrafında dönüşü (spin) özelliklerini kullanarak yukarı-spin ve aşağı-spin halinde olan bir elektron 0 ya da 1 olma halini temsil edebiliyor. Buradan ben size elektron gönderiyorum ve ona yüklediğim anlamı da beraberinde iletebiliyorum. Bu işin “kuantum” tarafına bakacak olursak hem sistem hem de hesaplama olarak iki farklı açıdan kuantum olma halinden söz edebiliriz. Bir tanesi, siz klasik bit’leri (0'ları ve 1'leri) gönderebilirsiniz. Ama çalıştığınız sistemler fiziksel sistem kuantum etkileşimlere sahip ve sizin kontrol edemediğiniz gürültüleri içeriyordur. Örneğin klasik hesaplamalarda kullanılması önerilen kuantum hücrelerle yapılan Quantum-dot Cellular Automata teknolojisi gibi.  İkinci şekil de kuantum hesaplama açısından. Boğaziçi’nde Cem Say Hoca'nın çalıştığı ve bilgisayarcıların kullandığı şekliyle kuantum hesaplama konusu kuantum bitlerle ilişkili. Kuantum bit -ki bunlara qubit de deniyor- sadece 0 ya da 1 olmak yerine; matematiksel olarak hem 0 hem de 1 olma olasılığını taşıyan durumlar. Bu sayede daha az elektron göndererek, daha az enerji harcayarak, daha fazla bilgi göndermemiz söz konusu olabiliyor. Ya da veriye baktığımızda verinin klasik bit’lerden oluştuğunu görürsek, kriptoloji açısından onların kırılması daha kolay olabiliyor. Ama qubitlerle hesaplama ve komünikasyon daha verimli bir şekilde yapılabiliyor. Ama bu karmaşık matematiksel durumları gerçekleştirebileceğimiz fiziksel sistemler konusunda yeteri kadar ilerleme sağlanamadığı için henüz kuantum hesaplama-haberleşme yakın zamanda bulunabilecek çözümlerden biri olarak görülmüyor. Yani önümüzdeki 5-10 yıl içerisinde "Moore Kanunu'nun sonu geldi, ne yapacağız?" dediğimizde, farklı malzemeler kullanılacaksa, 15-20 yıl içerisinde de belki Brown Devreleri gibi farklı tekniklere gidilecekse, ancak ondan da sonraki aşamada kuantum hesaplamanın yerleşik ve güvenilir bir şekilde hayatımızın bir parçası olması beklenebilir.

Kuantum haberleşme ve kuantum hesaplama ile ilgili olarak çoğunlukla araştırma seviyesinde kalan, araştırma laboratuvarları tarafından yürütülen çalışmalar var. Dünyada ticari olarak kuantum bilgisayar yapan tek bir şirket var. O da Kanada'da mevcut D-Wave adlı şirket.

Kuantum teknolojilerinde Kanada ABD’den ileride

Kanada başbakanının YouTube'da dolaşan meşhur bir videosu var, kuantum bilgisayarların nasıl çalıştığını anlatıyor. Kanada’nın bu alanda öncülüğünü vurgulamış oluyor herhalde?

Evet. ABD'de bu çalışmalar aslında daha önce başladı ama ABD bir süredir bilimle ilgili çok ciddi kan kaybediyor. Mesela 1990'larda da parçacık fiziğiyle ilgili çok öncü bir yerdeydi. Ta ki CERN'deki yatırımlar yapılıp Avrupa ABD bulunan FermiLab’dan daha gelişmiş bir merkez kurana kadar... CERN'den önce de ABD'de böyle bir merkezin kurulmasıyla ilgili girişimler oldu. Ama o dönem başkanları bunu desteklemediği için bu alanda öncü olma durumlarını kaybettiler. Benzer bir konu kuantum hesaplamayla ilgili de oldu. Amerika mevcut teknolojilere dair söz sahibi olmaya öncelik verdiği için ve kuantum hesaplama şu an için çok soyun ve çok çok daha ileride gerçekleşebilecek gibi gözüktüğünden bu konuya öncelik verilmiyor. Bu yüzden birçok kuantum hesaplama ile ilgili araştırmalarda şu anda Kanada ABD'den daha önde.

Son olarak Boğaziçi Üniversitesi-MIT işbirliği kapsamında aldığınız desteğe dönelim dilerseniz. Başvurunuz olumlu sonuçlandı.  Bundan sonraki yol haritanız ne olacak?

Bu bir yıllık bir proje olacak ve bu süre zarfında bir aydan fazla olmayacak uzunluklarda birkaç defa ya benim ya da benimle çalışan bir öğrencimin MIT'ye gitmemiz gerekecek. Ben şahsen benimle çalışmakta olan bir yüksek lisans öğrencimi göndermeyi tercih ederim, öğrencimin yurtdışında araştırma laboratuvarında çalışma imkânı ve deneyimi olması açısından. Bir de bu proje sayesinde MIT'deki araştırmacıları burada ağırlayabileceğiz ve Boğaziçi Üniversitesi’nde bir sempozyum düzenleme imkânımız olacak. Araştırmanın içeriği de bizim için çok heyecan verici çünkü şimdiye kadar hep teorik seviyede ya da bilgisayar simülasyonlarıyla desteklediğimiz çalışmalarımız oldu, ilk defa bu proje sayesinde MIT’deki laboratuvarlara girip geliştirdiğimiz teorik yöntemleri onların ürettiği mikro-halka rezonatör devrelerinde test etme fırsatı bulacağız. Teori ve deneyi bir araya getirebileceği için de benim çalışmalarımda yeni bir sayfa açacak. Bu bir yıl içerisinde yapacağımız ön çalışmalar ve oradan çıkaracağımız yayınlarla da daha uzun vadede ABD'yle iş birliğimizi sürdürebilmek için araştırma fonu başvuruları düşünüyoruz.

Söyleşi: Özgür Duygu Durgun-Talat Karataş /Kurumsal İletişim Ofisi

Fotoğraf: Talat Karataş

Tarih: 25 Aralık 2017