01 Kasım 2020

Kuantum bilgisayarlar

Ne diyordu Hawking: "Dünya dışı akıllı yaşamın neler yapabileceğini merak ediyorsanız Dünya üzerindeki insan türünün yaptıklarına bakın!"

Kuantum mekaniği yaşamımızı değiştirdi, daha da değiştirecek görünüyor.

Biz onu tam olarak anlayamasak da günümüz teknolojisini ona borçluyuz, geleceğin teknolojisi de kuantum temelinde ilerliyor.

Şimdi, "kuantum bilgi"yi öğrenmeye çalışıyoruz.

Kuantum bilgi, atomaltı parçacıkların tabi olduğu kuantum krallığının tuhaf kurallarından besleniyor: Bunlar; kuantum durumu, süperpozisyon, kuantum dolanıklık, dalga çökmesi gibi garip kurallar.

Kuantum bilgi teknolojileri denilince, öncelikle kuantum bilgisayarlar gündemi dolduruyor. Onlar hakkında çok fazla şey bilmiyoruz. Haberler daha çok IBM kaynaklı.

Kuantum bilgisayarların geçmişi 30 yıl öncesine uzanıyor.

1990'lı yıllar kuantum hesaplamaya dönük kuramsal çalışmaların yapıldığı bir dönemdi. 2000'li yıllara gelindiğinde çalışmaları araştırma-geliştirme temelinde ilerleme kaydetti. NIST (The National Institute of Standards and Technology) laboratuvarında Dr. Wineland ve ekibi gerçekleştirdikleri öncü çalışmaları ile kuantum bilgisayar teknolojisine giden yolun açılmasını sağladılar. Bu çalışmaları, Dr. Wineland'a 2012 Nobel Ödülü'nü getirdi.

Kuantum bilgisayar tasarımı ve geliştirme çalışmaları 2010' lu yıllarda hız kazandı. IBM, 2016 yılında 5 qubit'lik ilk kuantum bilgisayarı yaptığını duyurdu. Bu ilk tasarımın, bulut tabanlı olarak araştırmacılara ve kullanıcılara ücretsiz olarak açıldığı bilgisi medyada yer aldı.

Ardından yeni tasarımlar geldi. Ocak 2019'da, IBM tarafından sunulan 20 qubitlik IBM Q System One, göreceli olarak daha küçük boyutlarda idi ve o ana kadar yapılanlar içinde en iyisi olarak kabul gördü.

Bu arada Google da bir kuantum bilgisayar geliştirdiğini duyurdu ancak özellikleri konusunda tartışmalar sürüyor.

Ancak belirtmeliyiz ki, kuantum bilgisayar teknolojisi henüz emekleme aşamasında; daha alınacak çok yol var.

Kuantum bilgisayarların hesap yapma ve bilgi işleme mantığı geleneksel bilgisayarlardan doğal olarak, oldukça farklı. Bu konuyu daha önceki yazılarımızda işlemiştik. Kısaca hatırlayalım.

Klasik bilgisayarlar ikili sistem (binary) dediğimiz bir sistemle çalışır. Bu sistem bir devre üzerindeki elektrik akımının bir anahtar yardımıyla açılıp kapanması esasına dayalıdır. Açık olması durumu 0, kapalı olması 1; her biri bir "bit" olarak kodlanmakta.

"Bit", "binary digit"den kısaltılmış ve klasik kodlamanın bilgi taşıyan en küçük birimi. Sekiz bit, yani sekiz tane 1 ve 0'ın bir araya gelmesi ile bir "byte" oluşuyor.

Kuantum hesaplamada "bit" kavramının yerini "qubit" alıyor, o da "quantum-bit" den türetilmiş. "Kübit" olarak dilimize kazandırılmış bir terim.

Bit, elektrik akımının kapalı-açık durumuydu, oysa kübit çok daha karmaşık. Kuantum kodlamanın bilgi taşıyan en küçük yapıtaşı olan kübit, süperpozisyon durumunda olan bir foton, bir çekirdek ya da bir elektron, yani bir kuantum parçacığıdır.

Peki nasıl hesap yapılıyor?

Klasik hesaplamada bit durumu 1 veya 0, yani yalnızca iki durum sözkonusudur. Ya açık ya kapalıdır, yalnızca iki olasılık.

Oysa kuantum hesaplamada bir kübit, eş zamanlı olarak hem 0 hem de 1 değeri alabildiği gibi 0 ve 1 arasında tüm olasılıkların üst üste bindiği bir süperpozisyon durumundadır. Yani bir spektrum şeklinde bir olasılık kimliği bulunur. Örneğin yüzde 70 sıfır olma olasılığı varsa 1 olma olasılığı yüzde 30 demektir. Yada 80-20, 60-40 gibi. Yani olasılıklar sınırsız.

Ancak onu gözlemlediğimiz ya da okuduğumuz anda alacağı değer 1 ya da 0 olacaktır. Biliyorsunuz buna dalga çökmesi diyoruz.

Eğer parçacıklar bir "kuantum dolanıklık" içinde iseler, parçacıklar paralel işlem yapabilme kabiliyetine de erişmiş olurlar. Bu durum onlara ayrıca bir artı güç sağlar.

Kuantum bilgisayar tasarımı

Kuantum bilgisayarlar programlama dili, kullanım alanı, mimarisi ve tasarımı konularında emekleme safhasındalar. Henüz bir programlama dili yok, özel amaçlı çalışmalar için özel algoritmalar kullanılıyor.

Kuantum bilgisayarlar son derece hassas yapıya sahiptirler, bu nedenle özel tasarım gerektirirler. Mimarileri ise oldukça basittir.

İçinde havası alınmış metal silindir şeklinde, yalıtılmış ve çok sağlam bir zemine oturtulmuş küçük bir odacık düşünün. Bu odacığın içinde, içine kuantum parçacıklarının hapsedildiği özel olarak soğutulmuş bir bölüm bulunur. Burasının aşırı soğuk olmasının nedeni kuantum parçalarının hareket etmesini ve birbirleriyle çarpışmasını önlemek.

Kuantum parçacıkları olarak ise genellikle iyonlar kullanılmakta. Bu parçacıkların kübit durumları son derece kırılgandır ve bu nedenle elektromanyetik dalgalar ve dış parçacıklarla etkileşimi önlemek üzere çok iyi bir dış yalıtım sağlanması gerekir. Dünyanın manyetik alanı da bunlar arasında.

Anlaşılacağı üzere kuantum bilgisayarlar günlük kullanım için uygun değiller, yani henüz değiller. Üstesinden gelinmesi gereken çok sorun bulunuyor.

Ancak bu durum onların tümüyle işlevsiz kalacağı anlamına gelmiyor: Özellikle geleneksel bilgisayarlarla yapamayacağımız boyutta "big data" analizleri, kriptoloji, sağlık uygulamaları, bilgi transferi ve ışınlanma gibi bilimsel ve teknolojik uygulamalarda; evren simülasyonu gibi çok geniş ölçekli simülasyonlarda, olası sanal dünya tasarımlarında büyük potansiyele sahipler.

Kuantum geleceğin dünyasını inşa etmeye hazırlanırken, potansiyel tehditler de akılları kurcalamaya devam ediyor.

Bilimsel buluşlar çoğu kez iki tarafı keskin bıçak gibidir; kimin ve ne amaçla kullandığına bağlı olarak bir yanı ile yaparken diğer yanı ile de her şeyi bozabilir, nükleer enerjide olduğu gibi.

Belki de gelecek adına daha dikkatli ve daha sorumlu olmamız gerekiyor.

Ne diyordu Hawking: "Dünya dışı akıllı yaşamın neler yapabileceğini merak ediyorsanız Dünya üzerindeki insan türünün yaptıklarına bakın!"

Yazarın Diğer Yazıları

Zihnimizdeki resimler ve Dorian Gray'in Portresi

Kişiler gözümüzün önünde onların aynadaki görüntüleri ile değil, beynimizde yüklü özellikleri ile canlanır. Nasıl görünürlerse görünsünler zihinlerdeki resim bu algılara göre şekillenir

Tek elektron evren

Wheeler haklıysa, bizler bilinçli gözlemciler olarak gerçekliğimizin yaratıcıları mı oluyoruz? Ya da evreni görselleştirme sürecinin katılımcıları mı, tabii kapasitemiz ölçüsünde!

Doğanın gizemleri ve kuantum

Kuantum mekaniği bize atomların ve atomaltı parçacıklarının tuhaf dünyalarının kapılarını açtı; kuantum teknolojisi ile yaşamımız değişti. Evreni daha farklı algılar olduk. Şimdi yaşam bilmecesini onunla anlamaya çalışıyoruz