Kuantum Bilgisayar Nedir? Nasıl Çalışır?

Kuantum Bilgisayar Nedir? sorusunun ardında finanstan askeriyeye, havacılıktan nükleer füzyona birçok alanda önemli etkileri olması beklenen bir devrimin izleri yer alıyor…

1980’lerde doğan kuantum hesaplamanın ardından kuantum algoritmalarının belirli problemleri klasik muadillerinden daha verimli bir şekilde çözebildiği keşfedildi. 1994 yılında Peter Shor’un, tam sayıları bilinen herhangi bir klasik algoritmadan daha hızlı çarpanlarına ayıran ünlü kuantum algoritmasını formüle etmesi fazlaca heyecan yaratmıştı çünkü modern şifreleme, büyük bir sayının asal faktörlerini bulmanın binlerce yıl sürdüğü gerçeğine dayanıyordu.

Günümüzde Dünya’nın dört bir yanındaki üniversiteler ve laboratuvarların yanı sıra büyük teknoloji şirketleri ve hükümetler kuantum bilgisayarlarla ilgili çalışmalar yapmakta ve bu bilgisayarların geliştirilmesinde büyük çaba sarf etmektedir.

Potansiyeli ve öngörülen pazar büyüklüğü nedeniyle IBM, Microsoft, Google, D-Waves Systems, Alibaba, Nokia, Intel, Airbus, HP, Toshiba, Mitsubishi, SK Telecom, NEC, Raytheon, Lockheed Martin, Rigetti, Biogen, Volkswagen, ve Amgen kuantum hesaplama alanında çalışmaya hevesli olduklarını ifade eden dev isimlerden birkaçı.

Birçok Fortune-500 şirketi de alan olgunlaştığında hazırlıklı olmak için kuantum hesaplamaya dair araştırma ve geliştirme çalışmalarını başlatmış bulunmakta. Aslında, kuantum hesaplama geliştirme ortamları arasında bir tür format savaşının çoktan patlak verdiği bile söylenebilir.

Bu alanda başı çeken ülkelerden Çin’in önemli atılımlarından Kuantum Teknolojisi ve Hack’lenemez İnternet adlı yazımızda bahsetmiştik. İngiltere cephesinde Birleşik Krallık Ulusal Kuantum Hesaplama Merkezi’nin 2023’te kapılarını açması bekleniyor, ancak merkez 2025 yılına kadar 100’den fazla kübite sahip bir kuantum bilgisayar oluşturma hedefiyle, çalışmalara başlanmış durumda.

Kuantum Bilgisayar Nedir?

Kuantum Bilgisayar Nedir?
Kuantum bilgisayarlar aşırı soğutulmuş izole bir buzdolabının içinde çalışır (Quantum Computers, Explained With Quantum Physics – Quanta Magazine).

Kuantum bilgisayar, geleneksel bilgisayarlardan çok daha hızlı olan, kuantum fiziğinin süperpozisyon (superposition) ve dolanıklık (entanglement ) ilkelerinden güç alarak bilgiyi benzersiz bir şekilde işleyen bilgisayarlara denir.

Kuantum bilgisayarlar tavandan sarkan, mutlak sıfıra yakın soğutulan (-273.14°C’de), önemli ölçüde pahalı ve inşa edilmesi zor cihazlardır.

Karmaşık sorunların çözümüne yardımcı olurlar. Klasik bilgisayarlar günlük işler için idealdir ancak kuantum bilgisayarlar; kimyasal veya ilaç denemelerindeki gibi simülasyonlar ve veri analizleri için idealdir. Kuantum bilgisayarlar Microsoft Word’ü daha iyi veya daha hızlı çalıştıramaz ama karmaşık sorunları çok daha hızlı çözebilirler. Örneğin, Google’ın geliştirilmekte olduğu kuantum bilgisayar; makine öğrenimi eğitimini hızlandırmak veya daha verimli piller oluşturmak gibi görevler üstlenebilir.

Bazı şirketler kuantum bilgisayarlar yapmış olsa da bu bilgisayarların şu anda ticari kullanıma açılması söz konusu değildir. Aynı şey “kişisel kuantum bilgisayar” için de geçerlidir. Kuantum bilgisayarlar, klasik bilgisayarların yerini almak için tasarlanmamıştır. Kuantum bilgisayarlarının, başlangıçta temel araştırmalar, Ar-Ge, hükümet ve askeri amaçlar için kullanılacağı öngörülmektedir. Yine de IBM, kuantum ağının bir parçası olmaları şartıyla makinelerine erişim izni vermektedir. Ağın üyeleri arasında araştırma kuruluşları, üniversiteler ve laboratuvarlar bulunmaktadır.

Microsoft’un Azure Quantum platformu da benzer şekilde işletmelerin kuantum teknolojisine erişimini sağlamaktadır. Buna karşılık Google, kuantum bilgisayarlarına erişim satmamaktadır. Ancak Google, geliştirmeye çalıştığı kuantum bilgisayarını kullanarak bulut aracılığıyla bir kuantum bilgi işlem hizmeti başlatabilir.

Amazon Web Services bulut için 100’den fazla kuantum bilgisayar bilimcisi, donanım geliştiricisi ve mühendisinin işe alınacağı yakın tarihli bir haberdi. Amazon ayrıca, müşterilere IonQ, Rigetti ve D-Wave gibi çeşitli satıcılardan donanıma erişim sağlayan, tam olarak yönetilen bir kuantum bilgi işlem hizmeti olan Amazon Braket’i piyasaya sürmüştü.

Kuantum Bilgisayarı Nasıl Çalışır?

Kuantum Bilgisayarı Nasıl Çalışır?
Geleceğin neler getireceğini tahmin etmek zor olsa da ticari olarak uygulanabilir bir kuantum bilgisayarın yakın zamanda gün ışığını görmesi pek olası değildir.

Kuantum bilgisayarı fikri ilk olarak 1980’lerde Nobel ödüllü fizikçi Richard Feynman tarafından klasik bir bilgisayarda çözülmesi çok uzun süren kuantum mekaniğinin karmaşık denklemlerini simüle etmek için ortaya atılmıştır.

Kuantum bilgisayarları aslında bir bilgisayardan çok güçlü kuantum algoritmalarını sıradan bir işlemciden çok daha hızlı çalıştırabilen süper hesap makineleridir. Bunu fotonlar, elektronlar ve atomlar gibi temel parçacıkların ve aynı zamanda süper iletken devreler gibi daha büyük sistemlerin davranışından sorumlu olan kuantum mekaniği ilkelerini kullanarak yaparlar. Kuantum mekaniği, doğal dünyanın birçok yönünü klasik fiziğin yaptığından daha iyi açıklamakta ve klasik fiziğin ürettiği neredeyse tüm teorileri barındırmaktadır.

Kuantum bilgisayarların ardındaki fizik, matematik ve bilgisayar biliminin büyüleyici karışımı oldukça karmaşıktır. Kuantum hesaplama (Quantum computing), kubit (qubit) olarak da bilinen kuantum bitlerini kullanır ve atom altı parçacıkların birden fazla durumda var olma yeteneğinden yararlanır. Kubitlerin bakımı inanılmaz derecede zordur, çünkü kubitler oldukça hassastır, ortamdaki en ufak bir değişikliğe tepki verirler ve kodlanmış verileri kaybedebilirler.

Kuantum bilgisayarlar, evrenin geri kalanından gelen paraziti en aza indirmek için genellikle inanılmaz derecede soğuk ortamlarda tutulan ve atom altı bileşenler diyebileceğimiz “kübitler” etrafında inşa edilmiştir.

Bu bileşenler, bir anlamda birçok potansiyel değeri aynı anda almalarına izin veren “süperpozisyon” adı verilen bir kuantum fiziği durumuna getirilebilir. Değerleri belirsiz olsa da daha klasik bir duruma indirgenmeden önce bir süperpozisyondayken bu kübitler üzerinde güvenilir hesaplamalar ve dönüşümler gerçekleştirilebilir, bu da hesaplamaları etkili bir şekilde paralel hale getirir.

Kuantum bilgisayarlar yeni nesil süper bilgisayarlardan tamamen farklı bir şey olarak karşımıza çıkar. Geleneksel bilgisayarlar 1 veya 0 olan transistörleri kullanır, bilgileri yalnızca 1 veya 0 değerine sahip bitlerde kodlayabilirler ve bu da yeteneklerini ciddi şekilde sınırlar. Daha fazla transistör bağlamak, gücü yalnızca doğrusal olarak artırır. Kuantum bilgisayarlarda ise yalnızca 0 veya 1 olabilen standart bir bilgisayar bitinin aksine, bir kübit bunlardan biri olabilir veya hem 0 hem de 1’in bir süperpozisyonu olabilir. Birbirine bağlanan kübitlerin sayısı, kuantum hesaplama gücünü katlanarak artırır.

Kuantum bilgisayarlar için önemli bir sorun, bir kuantum hesaplamasının sonuçlarını doğru okumanın çok yüksek bir hata oranına meyilli olmasıdır. Bunun nedeni bir kuantum bilgisayar ile yakındaki elektrik alanları ve sıcak nesneler gibi çevresi arasında istenmeyen etkileşim anlamına gelen uyumsuzluktur.

Kuantum Bilgisayarların Sorunu: Uyumsuzluk

Bir kuantum bilgisayar inşa etmek isteyen herkesin üstesinden gelmesi gereken büyük sorun kübitlerin son derece kırılgan olduğu gerçeğidir. Çevrelerindeki dış ‘gürültü’ ile hemen hemen her etkileşimleri, onların bir sufle gibi çökmesine ve uyumsuzluk olarak bilinen yıkıcı bir süreçte kuantum doğalarını kaybetmelerine neden olabilir.

Bu, bir algoritma çalışmayı bitirmeden önce gerçekleşirse, kübitte depolanan tüm bilgiler kaybolur ve bir kuantum bilgisayarında ne kadar çok kübit varsa, onları tutarlı tutmak o kadar zor olur. Öyle ki, bugünün en gelişmiş kuantum işlemcileri bile 60 kübiti aşmak için mücadele etmektedir. Ancak gerçek bir cihaz birkaç bin kübit gerektirmektedir.

Yine de kuantum bilgisayarların katettiği ilerlemenin etkileyici olduğu söylenebilir çünkü araştırmacılar son yıllarda 10004’te 1 hata oranıyla, sadece üç kübiti dolaştırabilmekten 50 kübit’in üzerine çıkmış durumdalar.

Bir kuantum bilgisayar çevresinden çok iyi bir şekilde izole edilmelidir. Bu çok katı koşullar gerektirir: dış dünyadan korunan çok soğuk sistemler. Bununla birlikte, bu tür bir hapsetme paradoksal bir durum da yaratır çünkü bilgisayar ne kadar yalıtılmışsa, onunla gerçekten iletişim kurmamız, hesaplamalarının sonuçlarına erişmemiz ve ne yaptığını kontrol etmemiz o kadar zor olur.

Majorana Parçacık Gizemi

Kuantum bilgisayarlara güç sağlayabilecek yeni bir tür kuantum parçacığını tespit etmek için şiddetli bir yarışın sürdüğünü biliyor musunuz? Birçok bilim insanı, bu parçacığın kübitin kararsızlığına yönelik yüksek kaliteli çözümlerden biri olduğuna inanıyor. Söz konusu kuantum parçacığı Majorana Fermion’dur, ancak Majorana Fermion’u tespit etme konusundaki iddialar ne yazık ki tartışmalıdır.

1937’de İtalyan fizikçi Ettore Majorana, kendi antiparçacıkları olan varsayımsal temel parçacıkların varlığını önermiş ve bir yıl sonra gizemli bir şekilde ortadan kaybolmuştur. Majorana’nın bir deniz yolculuğu sırasında ya da sonrasında ortadan kaybolduğu ve cesedinin bulunamadığı biliniyor. Bazıları ölüm sebebinin intihar olduğunu düşünüyor, bazıları bir manastıra çekildiğine inanıyor. Werner Heisenberg ile yaptığı çalışmada nükleer bomba geliştirmiş olabileceğini düşünen ve bir cinayete kurban gitmiş olduğunu iddia edenlere de rastlamak mümkün.

Bilindiği kadarıyla bilgisayar devi Microsoft, güvenilir bir kuantum bilgisayar oluşturmak için Majorana parçacıklarını kullanmayı deniyor ancak bu konuda hayal kırıklığı yaşadığı yönünde söylentiler de mevcut.

Kuantum Üstünlüğü Nedir?

Kuantum Üstünlüğü Nedir?
Kuantum üstünlüğü; bir kuantum bilgisayarı, en güçlü süper bilgisayarın bile çözemeyeceği bir sorunu çözmeyi başardığında gerçekleşir.

Kuantum üstünlüğü (quantum supremacy) bir kuantum bilgisayarın hızının klasik bilgisayarlarınkinden çok daha YÜKSEK olduğunu ima eder. Kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarların yapamadığı şeyleri yapabildiği anlamına gelen kuantum üstünlüğü, basit bir avantaj değildir.

Peter Shor 1994’te bir kuantum bilgisayarın internetteki işlemleri koruyan şifrelemenin çoğunu kırabileceğini keşfetti. Shor’un algoritmasının, pratikte kuantum üstünlüğünü kanıtlamak için uygun olmamasının sebebi bu algoritmanın büyük bir sayıyı çarpanlara ayırmak için milyonlarca kübite ihtiyaç duymasıdır. Son teknoloji kuantum bilgisayarların yaklaşık 100 kübiti bulunur. Ve bunlar da hataya açıktır.

Buna rağmen kuantum üstünlüğünü kanıtlamanın çetin bir rekabet alanı haline geldiğini söyleyebiliriz. 2019’da Google, 53 kübitlik kuantum bilgisayarı Sycamore’un, günümüzün en güçlü süper bilgisayarlarının binlerce yılda tamamlayacağı bir görevi birkaç dakika içinde çözdüğünü duyurmuştu. Bunun üzerine kuantum bilgisayarların geliştirilmesinde büyük bir rakip olan IBM, hemen itiraz etmiş ve klasik süper bilgisayarların aynı görevi 2,5 günde zaten yapabileceğini savunmuştu.

Sonrasında 2021’de Çinli bir ekibin iddiasıyla Çin bir kez daha ne kadar güçlü bir rakip olduğunu kanıtladı: Ekip kuantum bilgisayarı “Zuchongzhi”nin normalde çözümü sekiz yıl sürecek olan bir sorunu bir saatte çözdüğünü iddia etti.

Kunatum Bilgisayarlar Ne İşe Yarar?

Kunatum Bilgisayarlar Ne İşe Yarar?
Geleneksel bir bilgisayarlardan çok daha hızlı olan kuantum bilgisayarların, şu an en gelişmişlerinin yaklaşık 100 kübiti bulunuyor ancak IBM’in 2023’te 1000 kübit’e ulaşmayı hedeflediği biliniyor.

Kuantum bilişim, güvenli bilgi paylaşımı (hack’lenemez internet ağı) da dahil olmak üzere çeşitli uygulamalara sahiptir; kanser ve diğer sağlık sorunlarıyla mücadele etmenin yanı sıra yeni ilaçlar geliştirmekten ulusal güvenliğe kadar pek çok alanda büyük etkilerinin olacağı öngörülmektedir.

Deloitte’un 2021 raporu, kuantum hesaplama yaklaşımlarıyla dönüştürülebilecek düzinelerce uygulamayı listelemiştir; akışkan simülasyonu, kriptografi, kredi taahhüt, finansal risk analizi, tedarik zinciri optimizasyonu ve tahmini, arıza analizi, dolandırıcılık tespiti, hava tahmini, yarı iletken çip tasarımı, ürün portföyü optimizasyonu...

Kuantum bilgisayarlar, radarların füzeleri ve uçakları tespit etme yeteneklerinin geliştirilmesine yardımcı olabilir. Büyük veri analizi veya simülasyonları için kullanılabilir. Kimyasal sensörler kullanarak suyu temiz tutmaya yarayabilir.

Kuantum hesaplama, daha iyi tahminler ve kararlar almak için genellikle çok büyük miktarda verinin işlenmesini içeren yapay zekada potansiyel olarak yeni fırsatlara yol açabilir.

Hesaplama hızı, uzun zamandır finansal piyasalarda bir avantaj kaynağı olmuştur. Kuantum algoritmaları, önemli bir dizi finansal hesaplama için hızı artırabilir.

Özet

Ticari ya da bireysel kullanıma yönelik bir kuantum bilgisayar henüz geliştirilmemiş olsa da uzmanlar, kuantum sistemlerinin önümüzdeki yıllarda ilaç geliştirme, finans, makine öğrenimi gibi pek çok sektöre değer sağlayabileceğini ifade etmektedir.

Google, IBM, Microsoft gibi teknoloji devlerinin peşinde koştuğu kuantum bilgisayarlar; birçok alandan bilim insanlarının birlikte çalışması için muazzam bir fırsattır. Kuantum Bilgisayar Nedir? sorusunun yanıtları gerçek dünyada kuantum bilgisayarlara giden yolun uzun olacağını ancak yol boyunca birçok heyecan verici keşfin insanlığı beklediğini işaret etmektedir.