Geçtiğimiz yüzyılın devrim niteliğindeki fiziksel çalışmalarından biri olan kuantum fiziği bilim dünyasında olduğu gibi teknoloji dünyasında da devrimsel çalışmalar vadetmektedir. Bu yazımızda bu çalışmalardan en önemlisi olan kuantum bilgisayarlarını inceleyeceğiz.

Kuantum bilgisayarlar bilgiyi işlemede kuantum mekaniği yasalarından faydalanacak şekilde dizayn edilmiş, klasik bilgisayarların hesaplama kabiliyetlerinin çok daha fazla üstüne çıkabilen yapılar olarak tanımlanabilir. Klasik bilgisayarlar ikili sayı formatı üzerinden işlem yaparlar yani 1 veya 0 durumunda veri depolayarak işlev görürler. Bit olarak tanımlanan bu durumlardan 8 tanesi yan yana gelince 1 Byte eder. Günlük hayattan aşina olduğumuz Mb ve Gb gibi ifadeler milyonlarca 0 ve 1 durumunun yan yana gelmesiyle oluşur. Kuantum bilgisayarlarda ise bit yerine qubitler kullanılır. Peki bit ve qubit arasındaki fark nedir?

kuantum pc

Klasik bilgisayarlar işlem yaparken 1 veya 0 durumunu kullanır, kuantum bilgisayarlar ise verileri 1 ve 0 veya bu iki durumun süperpozisyonu(süperpozisyon hakkında detaylı bilgi için bkz. Schrödinger’in kedisi) şeklinde depo edebilir. Qubit(kuantum bit) olarak isimlendirilen bu sistem bize ikili sayı sisteminden çok daha fazla işlem hacmi kazandırır. Kuantum bilgisayarında işlerin nasıl hızlandığını anlamak için bir örnek verelim:

Eğer bir qubit, 1 ve 0’ın süperpozisyonundaysa , süperpozisyonda olan bir diğer qubit ile birlikte bir hesaplama yapıldığında tek bir hesaplama sonucu dört ayrı sonuç elde edilir: 1/0, 1/1, 0/1, 0/1 durumları. Bu, süperpozisyon sayesinde kuntum sistemlerin eşzamanlı olarak birden fazla hesap yapabilme yeteneğini gösterir ve buna kuantum paralellik denir. Aynı örnekte klasik bilgisayarların yapacağı hesap sonucu ise 1/0 veya 0/1 gibi yalnızca bir durum olabilir. Hesaplamaya katılacak olan qubit sayısının arttırılması sonucu klasik bilgisayarla arasında oluşacak hesap farkının boyutlarını hayal etmeyi siz okurların hayal gücüne bırakıyorum.

Kuantum bilgisayarların getirdiği bu devasa hesaplama hızı kriptogrofi alanında da ciddi bir endişe yaratmaktadır. Bazı bilim insanları finansal sistemlerin klasik bilgisayarlarla çözülemeyecek şifrelerinin kuantum bilgisayar ile kolayca aşılabileceğini, çökertilebileceğini düşünmekte. Fakat felaket senaryolarını bir kenara bırakmakta fayda var. Klasik bilgisayarların şifreleme metodları kuantum bilgisayar ile sarsılsa da, bu yeni teknoloji daha güvenlikli şifreleme yöntemlerinin oluşturulmasına da imkan sağlayacaktır.

Kuantum bilgisayarların fiziksel mekanizması teorik açıdan oldukça karmaşık ve sezgisel açıdan da oldukça rahatsız edici bir yapıdadır. Bu rahatsızlığın sebebiyse  kuantum fiziğinde paralel evrenler yorumuyla açıklanır. Yani bir qubit kuantum süperpozisyonundayken, bilgisayar hesaplama yaptığında bu hesaplar yalnızca bizim evrenimizde değil eşzamanlı olarak başka bir evrende de gerçekleşir. Bu açıklama her ne kadar tuhaf  olsa da fizikçiler tarafından kabul görmüş bir açıklamadır. Tabii ki, şimdilik, bunlar tamamıyla teorik yorumlardır.

kuantum pc

Kuantum Bilgisayarların Tarihi

Kuantum bilgisayarın çalışma mantığının temelleri ilk olarak 1959’da Richard Feynmann tarafından tanımlanmıştır. Feynmann kuantum etkilerinin daha iyi bilgisayarlar yapmak için kullanılabileceğini düşünüyordu fakat o dönemde mühendisler pratik açıdan oldukça zor kuantum hesaplamalı bilgisayarlardan önce klasik bilgisayarları geliştirme çabasındaydı. 1985 yılına gelindiğinde Oxford üniversitesinden bir fizikçi olan David Deutsch “kuantum mantık kapıları” fikri ile bilgisayar bilimi ve kuantum fiziğini bir araya getirdi. 1992’de Deutsch ve Richard Jozsa’nın ortak çalışmaları sonucu ilk kuantum algoritması geliştirilmiş oldu, bu çalışmalar herhangi bir fiziksel hesaplamanın kuantum bilgisayarlara uyarlanabileceğini göstermiş oldu. Deutsch ve Jozsa’nın ardından 1994 yılında Peter Shor adında bir matematik mühendisi çarpanlara ayırma yapan 6 qubitlik bir algoritma tasarladı. Böylece çok küçük çaplı bir kuantum bilgisayarı geliştirilmiş oldu. 1998’de ise küçük hesaplamaları dalga fonksiyonu durumu çökmeden birkaç nanosaniyede yapan 2 qubitlik bir bilgisayar geliştirildi. Kuantum bilgisayar alanında D-Wave Systems , IBM şirketleri ve MIT araştırma ekipleri çalışmalarına  devam etmekteler. Bunlardan en ilginci sanırım IBM çünkü şirket kendi geliştirdiği kuantum bilgisayarını bulut tabanlı ve ücretsiz olarak herkesin kullanımına açtı. Kuantum bilgisayarı üzerinde çalışmalarına devam eden şirketin yaptığı çalışmaları hızlandırmak ve araştırmacılardan geri dönüşler almak için 5 qubitlik kuantum bilgisayarını bulut tabanlı olarak kullanıcılara ücretsiz olarak açtı( IBM’nin kuantum bilgisayarı).

Kuantum Bilgisayar Yapmanın Zorlukları

IBM kuantum bilgisayarı
IBM kuantum bilgisayarı

Kuantum bilgisayarlar için ana engel kuantum eşzamanlılık problemidir. Qubit hesaplamaları, kuantum dalga fonksiyonu durumlarının süperpozisyonundayken yapılır. Bu sayede 1 ve 0 durumlarının hesaplamalarda eşzamanlı olarak kullanılabilmesi mümkün olur. Fakat bir önceki yazımdada bahsetmiş olduğum üzere kuantum sistemlerinde herhangi bir şekilde ölçüm yapıldığı an eşzamanlılık kaybolur ve dalga fonksiyonu tek duruma düşer. Bu yüzden bu bilgisayarlar herhangi bir şekilde ölçüm yapmaksızın belli bir süre boyunca hesap yapmaya devam etmek durumundadır. Ölçüm sonucunda ise kuantum sistemden çıkılacak tam bu aşamada bilgisayarın, sistemin kalan kısmıyla işleme devam etmesi gerekecektir.

Eşzamanlılık probleminin yanı sıra kuantum bilgisayarların atom altı işlemcilerle çalışıyor olması mühendislik açısından da zorluklar doğurur. Elektronların çok hassas yapılarda olması müdahale anında çökmeye neden olur ve bu da yapılacak işlemin istendiği gibi sonuçlanmamasına neden olabilir. Tüm bu karmaşık sistemin işler halde olması için süper iletkenler, kuantum elektroniği, malzeme bilimi gibi alanların fonksiyonel bir biçimde kuantum bilgisayarında birleştirilmesi gerekir. Henüz gelişmekte olan bu alanlarda atılacak adımlar klasik bilgisayarlardan çok daha hızlı olacak ve teknolojide muazzam bir devrim yaratacak kuantum bilgisayarlar için çok büyük bir önem teşkil ediyor. Şüphesiz kuantum bilgisayarları yeni bir çağın yapı taşlarını oluşturacaktır.

Kaynaklar:

1-University of Waterloo-Institute for Quantum Computing

2-IBM Q and quantum computing