Kuantum Bilgisayarların Yapısı

Kuantum Bilgisayarların Yapısı - Tarihsel Gelişim Süreci ve Kullanım Alanları

Kuantum bilgisayarlarda yer alan qubitler aralarındaki etkileşim sonucu paralel bir işlem yapabilme kabiliyetine sahip ve buna kuantum fiziğinde dolaşıklık adı veriliyor. Kuantum bilgisayarların işlem yapabilme yetenekleri 2 üzeri kubit olarak formülize ediliyor. Örneğin 4 kubit ile dolaşıklık biçiminde çalışan bir kuantum bilgisayarın işlem kapasitesi 16 bit olarak hesaplanabilir. Kuantum bilgisayar teknolojisinin işlemci gücünün en fazla ulaştığı kuantum bilgisayarlar Vezüv kuantum bilgisayarları. Bu bilgisayarlar yaklaşık 512 kubit işlemci hızla çalışıyor. 2 üzeri 512 ile işlemci değerinin ne kadar yüksek olduğu anlaşılabilirken aynanda birden çok işlemi de yaptığını unutmamak gerekiyor. Ayrıca bilmek lazım ki çevre koşulları da kuantum bilgisayarların çalışması için oldukça elzem bir konu. Mümkün olduğunda dış etkenlerden uzak ve düşük sıcaklıklarda çalışması gereken bu makinelerin hassaslığı yüksek.

Kuantum Bilgisayarların Üretimi ve Kullanım Alanları

D-Wave Systems adında bir firma daha önce hiç yapılmamış kadar büyük kuantum bilgisayarları yapmak amacıyla çalışmalarına devam etmektedir. Google ve NASA ayarındaki büyük şirketler D-Wave Systems'in bu çalışmaları için 10 milyon doları aşan miktarda harcama yapmıştır. Google yapay zeka ve hızlı web aramaları gibi konulardaki optimizasyon problemlerini çözmek için D-Wave’nin sistemini kullanmaktadır. Nasa ise bu sistemi gelişmiş görev planlama, örüntü tanıma ve hava trafik kontrolleri için kullanmaktadır. Normal kullanılan bilgisayarlarla da bir kıyas yapılacak olursa kuantum işlemcili bilgisayarlar genelde 10 kat daha hızlı bir şekilde çalışmaktadır.

Aslında bakılacak olursa günümüzde herkesin yaygın olarak kullandığı bilgisayarlar da eskiden birçok insan kullanılması hayal niteliğindeydi. Özel şirketler ve kurumlar tarafından kullanılıyordu fakat teknolojinin gelişmesiyle ve ilerlemesiyle bu bilgisayarlar herkesin evine girmeyi başardı. Bu yüzden şu an için kuantum bilgisayarlar özel işler, şirketler ve kurumlar için tasarlanıp üretilse de ileride herkesin kullanabileceği bir noktada yer alıp zamanla kuantum bilgisayarlar da bizim için sıradan makinelere dönüşecektir.

Kuantum Bilgisayarların Faydaları

Kuantum Bilgisayarların ne kadar gelişmiş işlem gücüne sahip olduğunu ve çalışma prensibini basitleştirerek örneklendirirsek; Diyelim ki Akdeniz Bölgesi’nde yer alan turistik alanları sizin için en hesaplı olacak şekilde gezmek istiyorsunuz. Bunun için, normalde, en ekonomik farklı rotaları, en hesaplı bilet ve otel tarifelerini uzunca bir süre araştırmanız gerekirken, bir kuantum bilgisayar tüm bu olasılıkları aynı anda değerlendirerek en kısa sürede size en ucuz rotayı çıkartacaktır.

Maalesef ki süperpozisyon birtakım teknik sorunları (hataları) da beraberinde getiriyor. Kuantum sistemlerinde bu hataları çözmek ise başlı başına bir problem çünkü atom altı dünyanın herhangi bir madde veya radyasyon ile etkileşime açık olan hassas yapısı, bir elektrona bağlı olarak var olan bilginin de herhangi bir müdahalede bozulmasına yol açıyor.

Ancak geçtiğimiz yıllarda IBM araştırmacıları, iki tür hatayı aynı anda çözmeyi kübitlerin hassas yapısını bozmadan sağlayarak gündelik hayatta kullanılabilecek kuantum bilgisayarlar geliştirme önündeki engellerden birini aşmış oldular. Eğer daha fazla engel aşılabilirse, kuantum bilgisayarlardan pek çok alanda pratik olarak faydalanabileceğiz.

Yani, en azından teoride, kuantum bilgisayarlar herhangi bir silikon tabanlı bilgisayardan (bugün kullandıklarımızdan) çok daha hızlı ve zor işlemleri gerçekleştirme potansiyeline sahiptir. Günümüzde bilim insanları zaten belli başlı işlemleri yapabilen temel kuantum bilgisayarları inşa etmişlerdir ancak bu alanda daha aşılması gereken sorunlar vardır. Ayrıca; bu alandaki gelişmelerin pratik olarak evlerimizde kullanılabilmesi için de bir hayli yol katetmemiz gerekecektir.

Kuantum Bilgisayarların Tarihsel Gelişim Süreci

Kuantum bilgisayarların kökenini bulmak için çok geriye gitmek gerekmiyor. Bilgisayarlar her ne kadar 20. yüzyılda icat edildiyse de, ilk kuantum bilgisayarlar sadece 30 yıl önce, Argonne Ulusal Laboratuvarında bir fizikçi olan Paul Benioff tarafından kuantum teorisi uygulanarak teorize edilmiştir. Bu yazıyı okumak için kullandığınız çoğu bilgisayar, "Turing Teorisi"ne dayanmaktadır. Bu teoriyi kısaca tanıyacak olursak:

Turing Teorisi dahilinde hayal edilen soyut bir düşünce olan "Turin makinası", Alan Turing tarafından 1930'da geliştirilmiş, küçük karelere bölünmüş sınırsız uzunlukta banttan oluşan bir teorik cihazdır. Her kare bir rakam veya sembol tutar (1 veya 0). Bir okuma-yazma cihazı belli bir programı gerçekleştirmek için makineye talimatları veren bu rakam ve sembolleri okur. Bu makine, gerçek bir bilgisayar değildir; sadece, bilim insanlarının bir makinenin işlem gücünü anlayabilmeleri için geliştirilmiş hayali bir cihazdır. Dolayısıyla, kuantum bilgisayarlar ile silikon bilgisayarlar arasındaki farkı anlamak için de, bu "Turing Makinası" ile "Kuantum Turing Makinası" arasındaki farka bakılabilir. Normal bir Turing makinasıyla sadece bir seferde bir hesaplama yapmak mümkünken, bir kuantum Turing makinası ile aynı anda birçok hesaplama yapabilir.

Bugünün bilgisayarları ikilik sayı sistemiyle (0 ve 1) çalışırken, kuantum bilgisayarlar 2 bitle sınırlı değildir ve kuantum-bitleri (qubits) denen kodlama sistemiyle çalışırlar. Kuantum bilgisayarların bellek ve işlemcileri, sadece elektron akışını değil, atomları, iyonları, fotonları, elektronları veya ileri boyutta diğer atomaltı parçacıkları kullanır. Kuantum bilgisayarlar aynı anda birçok işlemi gerçekleştirmek için atomaltı parçacıklara ihtiyaç duyar. Daha sonra bu farklı atomaltı parçacıklardan elde edilen verileri bir araya getirerek tekil bir işleme dönüştürürler. Buna, "süperpozisyon" adı verilir. Kubitlerin, bitlerden farklı olarak sahip olduğu bu süperpozisyon özelliği, kuantum bilgisayarlara kendi yapısal/içsel parallel işlem kapasitesini veren unsurdur. Bu paralellik (paralelizm) sayesinde bir kuantum bilgisayar, sıradan bir bilgisayara göre kat kat yüksek işlem gücüne sahip olur.

Son olarak, kuantum bilgisayarlar alanındaki bazı gelişmelere bir göz atalım. Bahsettiğimiz gibi, kuantum bilgisayarların gelecekte günümüzdeki bilgisayarların yerini alması umulmaktadır. Ancak şu an için pratik şekilde kullanılabilir bir kuantum bilgisayar geliştirmek için gerekli teknolojiye sahip değiliz. Bu nedenle kuantum bilgisayarlar alanında çalışmalar halen oldukça teorik bir boyutta sürdürülüyor. Buna rağmen, birkaç anahtar gelişme sayesinde son yıllarda bu alanda birçok adım atılabilmiştir.

1998: Los Alamos Ulusal Laboratuvarı ve MIT araştırmacıları alanin (kuantum hata düzeltmek için kullanılan klor içeren bir hidrokarbon) içeren sıvı bir çözelti ile moleküllerde üç nükleer spin boyunca tek bir kubit üretmeyi başardılar.
2000: Mart ayında, Los Alamos Ulusal Laboratuvarı'nda bilim insanları sıvı bir damla içinde 7-kubit kuantum bilgisayarın gelişimini duyurdu. Kuantum bilgisayarlarda, transkrotonik asit, 6 hidrojen, 4 karbon atomundan yapılmış moleküllerden oluşan basit moleküllerin atomik çekirdek partikülleri işlenmek için Nükleer Manyetik Rezonans (NMR) kullanılır. NMR, parçacıklara elektromanyetik darbeler uygularlar. Manyetik alana paralel ya da karşı pozisyondaki bu parçacıklar kuantum bilgisayarlar ile dijital bilgisayarların bitlik bilgi kodlama özelliğini taklit ederler.
2001: IBM ve Stanford Üniversitesi'nden bilim insanları başarıyla kuantum bilgisayara "Shor Algoritması"nı (şifrelemeyle ilgili bir algoritma) işlemeyi ve görüntülemeyi başardı.
2005: Innsbruck Üniversitesi Kuantum Optik ve Kuantum Bilgi Enstitüsü'nden bilim insanları, iyon tuzakları kullanarak ilk kubayt'lık (8 kubit) dizi üretmeyi başardıklarını açıkladı.
2007: Kanadalı bir şirket, 16-kubitlik kuantum bilgisayar üretti. Bilgisayar bir sudoku bulmaca ve desen eşleştirme problemlerini başarıyla çözdü.

Bu şekilde devam eden gelişmeler sayesinde, gelecekte daha işlevsel ve genel amaçlı kuantum bilgisayarlar inşa edilebilir. Bunların aşırı karmaşık kodları çözmede, şifrelemede ve yüksek karmaşıklık değerine sahip analizleri yapabilme konusunda yararlı olacakları umulmaktadır. Ayrıca kubitler sayesinde veri güvenliği konusunda da çağ atlanması umulmaktadır. Genel olarak bakıldığında gelişmeler son derece umut verici olsa da, kuantum bilgisayarların dünya problemlerini çözebilecek seviyeye ulaşması için en azından birkaç düzine kubitlik bilgisayarlara ihtiyaç vardır. Bunlara ne kadar sürede ulaşacağımızı bekleyip göreceğiz.