Projenin Amacı
FoQaCiA projesinde kuantum algoritma dizaynının teorik temellerinin genişletilmesi hedeflenmektedir. Buradaki bakış açısı, kuantum hesaplamanın gelecekteki başarısının en temel seviyedeki gelişmelere kritik olarak bağlı olduğu yönündedir. Büyük ölçekteki kuantum uygulama yatırımları ancak temel düzeyde yeni öngörülere ve fikirlere bağlıdır. Etkili kuantum algoritmaları bilinmekle birlikte, kullanılan temel teknikler oldukça az sayıdadır. Sistematik olarak kuantumdan faydalanarak hesaplama yapmak hala tam anlamıyla gerçekleşmemiştir. Bu projede dört farklı kuantum olayı çalışılacaktır: (i) kuantum bağlamsallık, klasik ötesilik ve kuantum üstünlük, (ii) kuantum hesaplamanın klasik algoritmalarla simüle edilmesinin karmaşıklığı, (iii) kuantum devrelerin aritmetiği ve (iv) hata tolereli kuantum hesaplamanın verimliliği. Söz konusu alanlar iki nedenden ötürü seçilmiştir. İlk olarak, bu alanlardaki ilerleme, kuantum hesaplamanın fiziksel dünyada gerçekleştirilmesi ve uygulamaları açısından yüksek önem arz etmektedir. Araştırma alanı (i) kuantum bağlamsallığın en kolay ispatını sağlayan Mermin yıldızı ispatının yakın zamanda sınırlı derinlikteki kuantum devrelerin klasik benzerlerinden daha güçlü olduğunun gösterilmesinde kullanılmasıdır (Bravyi, Gosset, König). Bu sonucun, sınırlı derinlikteki devrelerden daha başka devrelere genelleştirilmesi proje kapsamında hedeflenmektedir. Alan (ii)’de kuantum hız konusunu ise klasik olarak verimli simüle edilebilir kısmı ayırarak ele alınacaktır. Alan (iii)’de devre sentezinin daha verimli yapılabilmesi için yeni teknikler ortaya konacaktır. Burada konunun sayılar teorisi ile olan bağlantısı kullanılmaktadır. Alan (iv)’de çok iyi bilinen threshold teoreminin bir sonucu olan, deneylerde ulaşılması gereken hata payının şu anki teknolojik imkanların çok uzağında olması gerçeğinden yola çıkarak hata payı (fault-tolerance) maliyetinin azaltılması konusu araştırılımaktadır. Bu alanların seçimindeki ikinci neden de kuantum mekaniksel yapıların anlaşılmasında ve ilgili kuantum algoritmik kullanımlardaki önemleridir.
Bilimsel Çıktı / Ürün / Kazanım
FoQaCiA projesinin bilimsel çıktısı kuantum algoritmalar ve kriptografik protokoller için teorik sonuçlar ve yazılım paketleridir.
Küresel Ölçekli Büyük Sorunlarla Mücadele
Sonuçlar, hata tolereli kuantum bilgisayarların kullanıcılara ulaşmasının daha kısa sürede gerçekleşmesine yardımcı olacaktır. Ayrıca kuantum devriminin bütün faydalarının elde edilmesi, yeni yüksek teknoloji marketi oluşmasında ve her alanda kuantum hesaplama uygulamalarının gelişmesinde faydalı olacaktır. Bu alanlardan bazıları şunlardır: ilaç ve sağlık, siber güvenlik, finansal modelleme, yapay zeka, iklim değişikliği ve karmaşık fabrikasyondur.
Endüstriyel İnovasyon
Proje sonuçlarının şirketler için yeni alanlar açarak hata tolereli bilgisayarlar yapılması ve yeni kuantum hesaplama mimarisi paradigmaları oluşmasına hizmet edeceği düşünülmektedir. Ayrıca klasik simülasyon üzerine olan sonuçların yeni ve daha verimli simülatörler yapılmasını sağlayarak kuantum kodların donanım üzerinde test edilmeden önce denenmesini sağlayacağından kuantum yazılımların benchmark yapılmasının maliyetini düşüreceği tahmin edilmektedir.
Ulusal Politika ve Stratejilerde Araştırmadan Kaynaklanan Değişiklikler
Yukarıda belirtilen kuantum bilgisayar mimarisindeki gelişmeler nano ölçekte kuantum bilgi işleme alanında (Tübitak 2003-2023 Strateji Belgesi) yeni yaklaşımlara yol açma potansiyeline sahiptir.
Mesleki Becerilerin ve Profesyonel Yeteneklerin Geliştirilmesine Katkısı
Bu projelerde çalışan öğrenciler kuantum algoritmaların temellerini öğrenecek ve bu algoritmaların karmaşıklığının analizi için yeni metotlar geliştireceklerdir. Bu öğrenciler ilerde açılacak olan kuantum şirketler için potansiyel iş gücüdürler.
İnsan Kaynağının Geliştirilmesine Katkısı
Türkiye kuantum hesaplama yarışına iki alanda katkı sağlayabilir: (1) Deneysel alandaki çabalar ile kuantum bilgisayar inşasına katkı yaparak, (2) teorik ve yazılım tabanlı yeni kuantum algoritmaları geliştirerek. Alan (1) çok yüksek maliyete sahip olup alan (2)’deki gelişmelere çok yakından bağlıdır. Bu proje, alan (2)’nin gelişmesine katkı sağlaması açısından Türkiye’nin kuantum hesaplama alanındaki teorik yönelimlerini desteleyecektir.
