Kuantum kriptoloji, kuantum hesaplama, kuantum ışınlama ve yapay zeka gibi geleceğin etkin teknolojilerinin temeli, atomaltı parçacıkların tabi olduğu kuantum dünyasının tuhaf kurallarından besleniyor.
Nedir bu tuhaf kurallar?
Kuantum durumu, spin, belirsizlik, süperpozisyon, kuantum dolanıklık, dalga çökmesi gibi atomaltı parçacıkların dünyasına özgü kavramlar.
TIKLAYIN - Güneç Kıyak yazdı: Parçacık-dalga ikiliği: Kuantum dünyasını anlamak neden zor?
Kuantum bilgi sistemlerine dönük çalışmaların 1990'lı yıllarda kuramsal düzeyde başladığını görüyoruz. Daha sonrasında, 2000'li yıllar içinde, laboratuvar odaklı araştırma-geliştirme çalışmalarına ağırlık verildi; elde edilen sonuçlar oldukça cesaret vericiydi. Bu süreçte NIST (The National Institute of Standards and Technology) laboratuvarında Dr. Wineland ve ekibi kuantum sistemlerinin ölçülmesini ve manipülasyonunu sağlayan deneysel yöntemler geliştirdiler ve kuantum bilgisayar teknolojisinin önünün açılmasını sağladılar.
Bu çalışmaları ile Dr. Wineland ve Fransız meslekdaşı Serge Haroche ile birlikte 2012 yılı Nobel Fizik Ödülü'nün sahibi oldu.
Kuantum bilgisayarların yakın gelecekte yaşamımıza dahil olması bekleniyor. Bu yolda ciddi adımlar var.
Nitekim IBM, yakın gelecekte piyasaya yönelik kuantum bilgisayarlar üreteceğini açıkladı. Bu arada Google'ın da gelişmiş, işlem yapabilme kapasitesi güçlü ve araştırma amaçlı bir kuantum bilgisayar yaptığı yönünde bir duyurusu var.
Ancak baştan söyleyelim: Kuantum bilgisayarların, kullandığımız klasik bilgisayarların yerini alması şimdilik olası görünmüyor.
Kuantum bilgisayarların hesap yapma ve bilgi işleme mantığı klasik bilgisayarlarınkinden, dolayısıyla bizim klasik düşünce sistemimizden oldukça farklı.
Klasik bilgisayarlar ikili sistem (binary) olarak adlandırılan bir sistemle çalışır.
İkili sistem, en basit anlatımla bir devre üzerindeki elektrik akımının bir anahtar yardımıyla açılıp kapanması esasına dayalıdır. Açık olması durumu 0, kapalı olması 1 olarak kodlanıyor. Yani elektrik akımı yoksa 0, varsa 1.
Bunlardan her biri bir "bit" olarak tanımlı, burada "bit" kodlamanın bilgi taşıyan en küçük birimi olup "binary digit"den kısaltılmış bir terim.
Sekiz bit, yani sekiz tane 1 ve 0'ın bir araya gelmesi ile bir "byte" oluşuyor. Bunları günlük hayatımızda zaten kullanıyoruz. Kilobyte, megabyte gibi.
Kuantum hesaplamada ise klasik hesaplamadaki "bit" kavramının yerini "qubit" alıyor, o da "quantum-bit" den türetilmiş. Türkçe metinlerde "kübit" olarak geçiyor, biz de bu nedenle kübit diyeceğiz.
Bit, elektrik akımının kapalı-açık durumuydu, oysa kübit çok daha farklı ve karmaşık. Kuantum hesaplamada elektrik akımına ihtiyaç duyulmuyor, kodlamanın bilgi taşıyan en küçük yapıtaşı olan kübit bir foton, bir çekirdek ya da bir elektron, yani bir kuantum parçacığı.
Daha iyi anlamak için bir elektron örneği üzerinden gidelim.
Elektronlar, yüklü parçacıklardır, dolayısıyla bir manyetik alana sahiptirler ve bir mini çubuk mıknatıs davranışı gösterirler. Bu özellik "spin" olarak adlandırılır.
Elektronlara bilgi yüklemek, yani kübit oluşturmak için onların bu spin özelliklerinden yararlanılıyor.
Bir pusula ibresinin yerkürenin manyetik alanı ile yönlenmesi gibi, bir elektron da içine konulduğu manyetik alana göre yönlenmekte. Bu, en düşük enerji seviyesi olan "0", yani "spin aşağı" durumu olarak tanımlı.
Eğer onu alanla ters yöne çevirmek istersek, pusulanın ibresini ters yöne çevirmek için yaptığımız gibi bir kuvvet uygulamamız gerekir, bu da en yüksek enerji durumu olan "1", yani "spin yukarı" durumudur.
Spin-yukarı ve spin aşağı, yani 1ve 0, klasik hesaplamadaki bit durumunun bir karşılığı gibi görünse de, kübitler farklı olarak 0 ile 1 arasında çeşitli değerler alabilir.
Dahası bir kübit, eş zamanlı hem 0 hem de 1 değeri alabildiği gibi tüm olasılıkların üst üste bindiği bir kuantum durumunda da olabilir. Buna "süperpozisyon" diyoruz.
Kuantum parçacığı süperpozisyon durumunda sonsuz sayıda olasılığı kapsar; bu bir kübitin, süperpozisyon durumunda çok fazla bilgi taşıyabileceği anlamına gelir.
Ancak onu gözlemlediğimiz ya da okuduğumuz anda alacağı değer 1 ya da 0 olacaktır.
Klasik ve kuantum hesaplamada "bit" ve "kübit"
Eğer kuantum parçacıklar bir "kuantum dolanıklık" içinde iseler, bu özellikleri onlara bir artı güç sağlar.
TIKLAYIN - Güneç Kıyak yazdı: Kuantum Dolanıklık: Işık hızı aşılmış mı oluyor?
Dolanıklık durumunda birbiri ile etkileşim içinde olan parçacıklar paralel işlem yapabilme kabiliyetine de erişmiş oluyorlar.
Özetle; klasik olarak adlandırdığımız geleneksel bilgisayarlar 0 ya da 1 değeri alabilen bit dizileri ile işlem yaparken, kuantum hesaplamada işlemler kübit adı verilen birimler üzerinden gerçekleşiyor. Kübitler eş zamanlı olarak 0 ve 1 değerlerinin yanısıra tüm olasılık ve kombinasyonları da kapsayan bir süperpozisyon durumunda bulunabilmekteler.
Bununla birlikte kuantum bilgisayar teknolojisi henüz yolun başında: Kuantum parçacıklarının hapsedilmesi, kontrolü ve yönetilmesi ile sistemin dış etkilere karşı yalıtımı, programlama dili ve mimarisi çözüm bekleyen sorunlardan başlıcaları.
Yani, daha alınacak çok yol var ancak bu yolun çok uzun olmayacağı konusunda herkes hemfikir.
Kaynakça