Kuantum bilgisayarlar, verileri depolamak ve bir nesnenin ölçülmeden önceki durumunun olasılığına dayalı hesaplamalar yapmak için kuantum fiziğinin özelliklerini kullanan makinelerdir. Kuantum mekaniği atomu ve atom altı parçacıkları ele alıyor.
Kuantum bilgisayarın ölçeklenebilirlik ve tutarsızlık gibi önemli problemleri olsa da bu fizik dalı "tünel etkisi" gibi geleneksel bilgisayarların karşılaştığı kısıtlamaları kaldırmayı amaçlıyor. Bunu, birden fazla işlemi eşzamanlı gerçekleştirerek ve nanometrik ölçekte programlamanın sınırlarını aşarak başarıyor. Kuantum bilgisayar özellikle belirli görevlerde en hızlı süper bilgisayardan bile çok daha iyi performans gösterir ve çığır açıcı derecede avantajlıdır.
Kuantum Bilgisayarı Neden Hızlıdır?
Kuantum bilgisayar, büyük ve karmaşık veri kümelerini klasik bilgisayardan daha verimli şekilde işleyebilir. Bu makineler karmaşık hesaplamaları çözme sürecini hızlandırmak için kuantum mekaniğinin temellerini kullanır. Genomikten finansa kadar çeşitli endüstrileri kapsayan bu hesaplamalar neredeyse sınırsız sayıda değişkene ve potansiyel uygulama alanına sahip. Kuantum bilgisayarın neden daha hızlı olduğunu anlamak için kübiti tanıyalım.
Kübit Nedir?
Akıllı telefon veya dizüstü bilgisayar gibi klasik bilgisayarlar kuantum bilgisayardan farklı olarak fiziksel bir durumun "kesin" haliyle mantıksal işlem yapıyor. Bilgileri, 0 ya da 1 halinde ikili "bit" biçiminde kodlar. Bit tek bir anda tek bir değer taşıyabilir ancak kuantum bilgisayarda nesnenin kuantum durumu kullanılır ve bununla kuantum bit veya kübit denilen temel bellek birimleri üretilir. Yani kuantum teknolojisi bize bir kübitin aynı anda hem 0 hem de 1 olabileceğini söylüyor, hem de farklı oranlarda.
Kuantum bilgisayarın hesaplama gücü kısaca kübit denilen bu kuantum bitlerinden geliyor. Sıradan bir bilgisayarda veriler 0 veya 1 değeriyle depolanır. Dört bit ile 16 farklı veri kombinasyonu oluşturulabilir (0000, 0001, 0010, vb. gibi) ve klasik bilgisayar aynı anda bunlardan sadece biri üzerinde çalışabilir.
Kübitler ise aynı anda hem 0 hem de 1 değerlerine sahip olabilir ve süperpozisyon denilen bu durumda, bilgisayar 16 veri kombinasyonu üzerinde aynı anda işlem yapabilir. Eklenen her bir kübit ile bilgi işlem gücü katlanarak artar. Araştırmacılara göre 300 kubitlik bir kuantum bilgisayar, aynı anda evrendeki atomlardan daha fazla hesaplama yapabilir.
Kübitler, elektronun dönüşü veya fotonun yönelimi gibi fiziksel sistemler kullanılarak üretilmekte. Örneğin yalnızca 30 kubite sahip bir kuantum bilgisayar saniyede 10 milyar kayan nokta işlemi gerçekleştirir; bu değer piyasadaki en güçlü video oyun konsolundan yaklaşık 2,4 milyar daha yüksek.
Bu elektron dönüşü ve foton yönelimi aynı anda birçok farklı düzende olabiliyor ve buna kuantum süperpozisyonu deniliyor. Kübitler ayrıca kuantum dolaşıklığı denilen fenomen kullanılarak ayrılmaz biçimde birbirine bağlanabiliyor. Sonuç ise bir kübitin aynı anda farklı değerleri temsil etmesidir. Bu temsiller, nesnenin algılanmadan önceki muhtemel özellikleridir, örneğin bir elektronun dönüşü veya fotonun polarizasyonu gibi.
Transistör Yerine Kübit
0 ve 1 sistemi (ikili sistem) tüm bir odayı dolduran ilk bilgisayardan bu yana kullanıldı. O zamanlar transistör yerine radyo tüpü vardı. Bir bilgisayarın ikili sayıları anlayabilmesi için bunu uygun elektrik akımlarına dönüştüren fiziksel bir birime ihtiyacı vardır. Bu birim bilgisayarın mikroçipidir: Mikroçipin içinde milyonlarca küçük transistör bulunuyor ve mikroçipteki akımı açıyor veya kapatıyorlar. Mikroçip ne kadar çok transistör içerirse, bilgisayar aynı anda o kadar fazla bilgi işleyebilir.
Kuantum bilgisayarda milyonlarca transistör yerine kübitler vardır. Tıpkı Google'ın kuantum bilgisayarı Sycamore (53 kübit) ve IBM kuantum bilgisayarı IBM Q System One (20 kübit) gibi.
Kübitler, niyobyum elementinden üretiliyor ve sıradan bilgisayar çiplerinin yapıldığı malzeme olan silisyum çipine bastırılıyor. İki niyobyum elektrotunu ince bir alüminyum oksit tabakasıyla ayırmak Josephson temasının oluşmasını sağlar ve böylece kuantum mekaniğinin temeli olan süperpozisyon meydana gelir. Josephson teması sadece madde eğer süper iletkense mümkündür yani elektrik direnci yoksa.
Ev ve ofis için kuantum bilgisayar geliştirirken üstesinden gelinmesi gereken en büyük zorluk bu. Kuantum mekaniği yalnızca en küçük ölçekte meydana geldiğinden, en ufak bir bozulma hesaplamayı etkisiz hale getirmek için yeterlidir. Bir hava veya ışık parçacığı atomu bile kübitleri rotasından çıkararak süperpozisyonu kaybetmelerine neden olabilir.
Bu nedenle hem IBM hem de Google kuantum çiplerini laboratuvarda neredeyse mutlak sıfır değerine yani -273,15 ºC'ye kadar soğutuyor. Bunun için altın ve bakırdan yapılmış bileşenlerin bulunduğu büyük bir dondurucu kullanılıyor. Bu yapıya kriyostat denir ve araştırmacıların kuantum çip üzerinde hesaplama yapmasının tek yoludur.
Bu durum kuantum bilgisayarın neden şimdiye kadar daha fazla kübit içermediğini de açıklıyor. Kübit sayısı arttıkça dışarıdan gelen elektriksel parazit riski katlanıyor ve onları süperpozisyonda tutmak zorlaşıyor.
Kuantum Bilgisayarın Tarihi
Amerikalı fizikçi ve Nobel ödüllü Richard Feynman 1959 gibi erken bir tarihte kuantum bilgisayardan söz etti. Elektronik bileşenler mikroskobik ölçeğe ulaştığında artık kuantum mekaniğinin öngördüğü etkileri kullanarak güçlü bilgisayarların tasarlanabileceğini açıkladı.
Kuantum bilgisayar teorisi 1980'ler ve 1990'larda Feynman'ın öngörülerinin çok ötesine geçti. 1985'te Oxford Üniversitesi'nden David Deutsch evrensel kuantum bilgisayarda kullanılacak özel mantık geçidinin (her bilgisayarın temeli olan logic gate) nasıl hazırlanacağını tanımladı. AT&T'den Peter Shor, 1994'te 6 kübitle çalışan bir kuantum bilgisayarda sayıları çarpanlarına ayırmaya yarayan bir algoritma tasarladı.
Daha sonra 1998'de Los Alamos Ulusal Laboratuvarı'ndan Isaac Chuang, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden (MIT) Neil Gershenfeld ve California Üniversitesi'nden Mark Kubince yüklenen her veriyi çözümleyebilen 2 kübitlik kuantum bilgisayar ürettiler.
Son zamanlarda Fizikçi David Wineland ve ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'nden (NIST) meslektaşları elektromanyetik tuzak yoluyla dört iyonize berilyum atomunu karıştırdıklarını ve 4 kübitlik bir kuantum bilgisayar tasarladıklarını açıkladı. Kuantum bilişim günümüzde telekomünikasyondan siber güvenliğe, gelişmiş üretime, finans, tıp ve ötesine kadar tüm endüstrileri baştan aşağı değiştirmeye hazırlanıyor.
Kuantum Bilgisayar Türleri
Kuantum bilgisayar dünyasında üç ana kuantum hesaplama türü mevcut. Her bir tür ihtiyaç duyulan işlem gücüne (kübit) ve olası uygulamaların sayısına ve de hesaplamanın ticari olarak uygun hale gelmesi gereken süreye göre farklılık gösterir.
Kuantum Tavlama
Kuantum tavlama optimizasyon problemlerini çözmek için en iyisidir. Araştırmacılar daima birçok olası değişken kombinasyon arasından mümkün olan en iyi ve en verimli yapılandırmayı bulmaya çalışır. Kuantum tavlama bu görevi üstleniyor.
Volkswagen bir süre önce Çin'in aşırı kalabalık bir kentindeki trafik akışını optimize etmek için kuantum deneyi gerçekleştirdi. Deney, Google ve D-Wave Systems ile ortaklaşa yürütüldü. Kanadalı şirket D-Wave kuantum tavlamayı geliştirdi. Algoritma her araç için en ideal yolu seçerek trafiği başarıyla azaltabiliyor. Yine de yöntemin henüz gerçekten bir 'kuantumluğa' sahip olup olmadığını söylemek zor.
Kuantum Simülasyonu
Kuantum simülasyonu kuantum fiziğindeki belirli problemleri araştırır. Bunlar klasik sistemlerin kapasitesinin ötesindedir. Karmaşık kuantum olaylarını simüle etmek, kuantum hesaplamanın en önemli uygulamalarından biridir. Bu simülasyon için özellikle umut verici olan alansa kuantum kimyası olarak da bilinen kimyasal bir uyarımın çok sayıda atom altı parçacık üzerindeki etkisini modellemektir.
Evrensel Kuantum Hesaplama
Evrensel kuantum bilgisayar fikri en güçlü ve genel olarak en uygulanabilir olan kuantum bilgisayar çeşididir. Ancak aynı zamanda üretimi en zor olanıdır. Dikkat çekici şekilde, evrensel kuantum bilgisayarın 100.000'in üzerinde kübite ihtiyacı var ve bazı tahminler bunu 1 milyon kübite çıkarır. Şu anda eriştiğimiz en yüksek kübit sadece 128 ve yolumuz uzun. Evrensel kuantum bilgisayarın arkasındaki temel fikir, makineyi muazzam karmaşık bir hesaplamaya yönlendirerek anında hızlı çözüm elde etmektir. Bu hesaplama, yukarıda belirtilen tavlama denklemlerini çözmeyi, kuantum fenomenini simüle etmeyi ve daha fazlasını içeriyor.
Kuantum Bilgisayarların Önemi ve Yaratacağı Etkiler
Kuantum bilgisayar geleneksel bir bilgisayar için çözmesi imkansız olan (bir milyar yıl alacak) sorunları çözebilir. Neredeyse kırılmaz şifreler mi? Kuantum bilgisayarlar veri güvenliğini sonsuza kadar değiştirecek. Kuantum bilgisayarlar günümüzün şifreleme tekniklerinin çoğunu kırabilecek olsa da tahminler hack'lenmeyen yeni şifrelemelerin üretileceği yönünde.
Klasik bilgisayar bazı görevlerde kuantum bilgisayarlardan daha iyi (e-posta, elektronik tablolar ve masaüstü yayıncılık gibi). Kuantum bilgisayarların amacı klasik bilgisayarların yerini almak değil, farklı sorunları çözmek için farklı bir araç olmaktır.
Kuantum bilgisayarlar, bir havalimanındaki uçuşları planlamanın en iyi yolunu bulmaktan kargo aracı için en iyi teslimat yollarını belirlemeye kadar optimizasyon sorunlarını çözmeye yarıyor.
Google bir süre önce laboratuvarındaki herhangi bir klasik bilgisayardan 100 milyon kat daha hızlı bir kuantum bilgisayara sahip olduğunu duyurdu. Dünyada her gün 2,5 eksabayt veri üretiyoruz. Bu sayı, 5 milyon dizüstü bilgisayardaki içeriğe eşdeğerdir. Kuantum bilgisayarlar, bu büyük veri çağında ürettiğimiz veri miktarını işlemeyi mümkün kılıyor.
Bir kuantum bilgisayarın kararlı çalışması için soğuk kalması gerekir. D-Wave Systems'ın kuantum bilgisayarının içinin -170 derece santigrat olmasının nedeni bu. D-Wave Systems'ın kuantum bilgisayarı geleneksel bilgisayardan "binlerce kat" daha hızlı.
Süperpozisyon, parçacıkların aynı anda birden fazla durumda bulunabileceği kuantum durumunu tanımlamak için kullanılan ve bir kuantum bilgisayarın aynı anda birçok farklı değişkene bakmasına izin veren bir terimdir. Kuantum bilgisayarlar ile elde edilen daha yüksek işlem gücüne rağmen güç tüketimi 100 ila 1000 kat arasında düşecek çünkü kuantum bilgisayarlar kuantum tünelleme tekniğini kullanıyor.
Ne var ki kuantum bilgisayar çok kırılgandır. Her türlü titreşim atomları etkiler ve uyumsuzluğa neden olur. Grover algoritması denilen ve yapılandırılmamış veritabanında arama yapmayı sağlayan algoritma ile büyük sayıları çarpanlara ayırmaya yarayan Shor algoritması gibi kuantum bilgisayarlar için halihazırda geliştirilmiş birkaç algoritma var.
Kararlı bir kuantum bilgisayar geliştirildiğinde, makine öğrenimi katlanarak hızlanacak ve hatta bir sorunu çözme süresi yüz binlerce yıldan saniyeye düşecek.
IBM'in bilgisayarı Deep Blue'nun 1997'de satranç şampiyonu Garry Kasparov'u yendiği zamanı bilen bilir. Makine her saniye 200 milyon olası hamleyi incelediği için rekabet avantajına sahipti. Bir kuantum makine saniyede 1 trilyon hareket hesaplayabilir!
2019'da Google dünyanın ilk "kuantum üstünlüğü"nü elde eden bilgisayarını ürettiğini duyurdu. Bu makine en hızlı süper bilgisayardan 158 milyon kat daha hızlıydı. IBM'in Summit süper bilgisayarının 10.000 yılda çözebileceği problemi 200 saniyede çözdü. 2020 Aralık'ta Çin, Teknoloji ve Bilim Üniversitesi'nin Jiuzhang isminde Google'ın makinesinden 10 milyar kat daha hızlı bir kuantum bilgisayar ürettiğini duyurdu. Bilim dergisinde yayımlanan çalışma ile Jiuzhang, kuantum üstünlüğü elde eden dünyanın ikinci bilgisayarı oldu.
Kuantum Bilgisayarı Hakkında Sık Sorulanlar
Kuantum bilgisayarı nedir?
Kuantum bilgisayar, klasik bilgisayarlar için zor veya imkansız olan hesaplamaları gerçekleştirmek için süperpozisyon ve dolanıklık gibi kuantum mekaniksel fenomenleri kullanan bir bilgisayar türüdür.
Bir kuantum bilgisayarın klasik bir bilgisayardan farkı nedir?
Klasik bilgisayarlar yalnızca iki durumdan birinde (0 veya 1) bulunabilen bitler kullanırken, kuantum bilgisayarlar aynı anda birden fazla durumda bulunabilen kuantum bitleri (kübitler) kullanır. Bu, kuantum bilgisayarların belirli hesaplamaları klasik bilgisayarlardan katlanarak daha hızlı gerçekleştirmesine olanak tanır.
Kuantum bilgisayarların kullanım alanlarından bazıları nelerdir?
Kuantum bilgisayarlar kriptografi, makine öğrenimi ve ilaç keşfi gibi alanlar üzerinde önemli bir etkiye sahip olabilir. Ayrıca karmaşık optimizasyon problemlerini çözmek, kuantum sistemlerini simüle etmek ve bilimsel modellemenin doğruluğunu artırmak için de kullanılabilirler.
Kuantum bilgisayarları geliştirmenin önündeki zorluklardan bazıları nelerdir?
Kuantum bilgisayarların geliştirilmesinde karşılaşılan en büyük zorluklardan biri, kuantum tutarlılığının zaman içinde kaybolması anlamına gelen dekoherans sorunudur. Bu durum hesaplamalarda hatalara yol açabilir ve kuantum bilgisayarların daha büyük boyutlara ölçeklendirilmesini zorlaştırabilir. Kuantum bilgisayarların inşası ve işletilmesinde de önemli teknik zorluklar bulunmaktadır.
Kübit nedir?
Bir kübit (kuantum bitinin kısaltması) bir kuantum bilgisayarındaki kuantum bilgisinin temel birimidir. Yalnızca 0 veya 1 değerlerini alabilen klasik bitlerin aksine, bir kübit, kuantum bilgisayarların belirli hesaplamaları klasik bilgisayarlardan daha verimli bir şekilde gerçekleştirmesine olanak tanıyan durumların süperpozisyonunda olabilir.
Dolanıklık nedir ve kuantum hesaplamada nasıl kullanılır?
Dolanıklık, kuantum mekaniğinde iki parçacığın içsel olarak birbirine bağlı hale geldiği bir olgudur; öyle ki bir parçacığın durumunun ölçülmesi, aralarındaki mesafeden bağımsız olarak diğer parçacığın durumunu anında etkiler. Kuantum bilişimde dolanıklık, problemleri klasik bilgisayarlardan katlanarak daha hızlı çözebilen belirli algoritmaları etkinleştirmek için kullanılır.
Kuantum hesaplamada güncel araştırma alanları nelerdir?
Mevcut araştırma alanları arasında süper iletken devreler ve iyon tuzakları gibi yeni donanım mimarilerinin geliştirilmesi ve test edilmesi, kuantum hata düzeltme tekniklerinin iyileştirilmesi ve kuantum mekaniğinin bilgi teorisi ve kriptografi üzerindeki etkilerinin araştırılması yer almaktadır.
Bir kuantum bilgisayarı inşa etmek ve işletmekle ilgili zorluklar nelerdir?
Başlıca zorluklar arasında kübitlerin hassas kuantum durumunun korunması, kübitlerin yüksek hassasiyetle kontrol edilmesi ve manipüle edilmesi, hataların ve tutarsızlığın azaltılması ve daha büyük ve daha karmaşık hesaplamaları desteklemek için teknolojinin ölçeklendirilmesi yer alıyor.
Kuantum algoritmalarının klasik algoritmalardan farkı nedir ve kuantum algoritma örnekleri nelerdir?
Kuantum algoritmaları, problemleri klasik algoritmalardan daha hızlı çözmek için kuantum bilgisayarların süperpozisyon ve dolanıklık gibi benzersiz özelliklerinden yararlanmak üzere tasarlanmıştır. Kuantum algoritmalarının bazı örnekleri arasında Shor'un büyük sayıları çarpanlara ayırma algoritması, Grover'ın sıralanmamış bir veritabanını arama algoritması ve kuantum sistemlerini simüle etmek için kuantum faz tahmin algoritması yer alır.
Kaynaklar:
