Kuantum bilgisayar nedir?

1981 senesinde kuantum bilgisayar fikrini Paul Beniof, Max Planck’ın enerjinin sürekli olmadan kesikli değerlerde yer alan m, n, k enerji kuantlarıyla salındığının ortaya atıldığı düşüncesinden teoriye dönüştürerek elde etti. Kuantum fiziğinde gelişmeler yaşanması ve teknolojik gelişmelerin artması sonucu günlük hayatta kuantum bilgisayarların kullanılma fikri yaygınlaştı. Bu bilgisayarlar enerjiyle maddeyi birlikte ele alıyor ve atom ve atom altı dengesinin de altında ifade etmeyi kuantum teorisinin ana ilkeleri çerçevesinde amaç ediniyor. Bu yüzden de bu bilgisayarlar bilinen bilgisayarların aksine daha zorlu işlemleri tek başına yapabiliyor.

Üretimleri ve Kullanımları

kuantum-bilgisayar-1

D-Wave Systems adında bir firma kuantum bilgisayarlar yapmaya çalıştı fakat bunun diğerlerinden farkı var. Bu firma daha önce hiç yapılmamış kadar büyük kuantum bilgisayarları yapmak istemesiyle diğerlerinden ayrılıyor. Google firması da yapay akıl ve hız web arama sistemlerinde yaşadığı sorunlar ve geliştirmeler için D-Wave’nin sistemini kullanıyor. Google ve NASA ayarındaki büyük şirketler bu çalışma için 10 milyon doları aşan miktarda para akıttı ve Google ve NASA, D-Wave şirketini kendilerine ait olan kuantum bilgisayarın donanımsal yazılımını kurabilmek adına kullanıyor. Normal kullanılan bilgisayarlarla da bir kıyas yapılacak olursa eğer kuantum işlemcili bazı bilgisayarlar 10 kat daha hızlı bir şekilde çalışıyor ama klasik bilgisayarlardan 100 kat daha yavaş çalışabilen bilgisayarlar da mevcut. 

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 normal dediğimiz bu bilgisayarlar herkesin evine girmeyi başardı. Bu yüzden şu an için kuantum bilgisayarlar özel işler, şirketler ve kurumlar için tasarlanıp üretilse de kuantum bilgisayarların yakın bir gelecekte olmasa da ileride herkesin kullanabileceği bir noktada yer alıp sıradanlaşan makineler olacağından kimsenin şüphe duymaması gerekiyor.

Kuantum ve İlkelerinin Önemi

kuantum-bilgisayar-2

Karmaşa ve süper pozisyon diye bilinen kuantum yapıtaşları gelişmiş bilgisayarlar açısından insanlığa büyük faydalar sağlıyor. Normal bilgisayarların yapamayacağı işlemleri süre tasarrufu da sağlayarak yapan bu sistem işlem yaparken kuvvet gösterdiği cihaza karşı kapasitelerinin hepsini kullanmazlar. Zor problemleri ortadan kaldırıp çözüme kavuşturan bu bilgisayarlar olağanüstü bir hesaplama gücüne sahip. Örneğin Shor Algoritmasını kullanarak çarpanlara ayırma işlemi yapan bu bilgisayarlar bu konuyu aynanda iki kısımda inceliyor ve bu inceleme sonucunda bu işlemleri eş zamanda yaparak asal çarpanlara ayırıyor. Elle hesaplamayı da yok sayarak söylemek gerekiyor ki normal bilgisayarlarla bu işlemleri yapmak daha fazla zaman alıyor bazen mümkün dahi olmuyor. Bu açıdan bu ilkelerin bilgisayar sektöründe yer alması oldukça mühim bir durum.

Nasıl Çalışırlar?

Normal bilgisayarlar işlemlerini 0 ve 1 değerlerini baz alabilen bitler yardımıyla yapıyor fakat kuantum bilgisayarlar kübit diye adlandırılan kuantum bitleri vasıtasıyla yapıyor. Kuantum bilgisayarlarda atomdan daha küçük seviyedeki yapılar kullanılırken normal bilgisayarlar bir devrede yer alan elemanların açıklık ve kapalılık haline göre değişkenlik gösteriyor. Atomda yer alan elektronlar, manyetik alan oluştuğunda bir mıknatısmış gibi hareket ediyor. Bu hareket “spin” diye adlandırılıyor. Bir elektron manyetik alanlar içerisinde yer aldığında bu etkiye maruz kalıyor ve bu etki nedeniyle manyetik alan yönünde yer değiştiriyor. Bu elektromanyetik alanın yönünün durumu “spin up” ya da “spin down” durumu oluşturabiliyor. Bu durum normal bilgisayarlarda yer alan “0” ve “1” durumlar gibi bir durum.

Klasik bilgisayarlarda bir devre ya açıktır ya da kapalı fakat kuantum bilgisayarlar için bu durum bu kadar net ifade edilemez. Kuantum bilgisayarların hem spin up hem spin down etkilerinde olabilmesi için elektronların dış etkenlerden tamamen uzaklaştırılmış olması gerekiyor. Bu durum kuantum fiziğinde “üst üste binme” olarak ya da “süperpozisyon” olarak adlandırılıyor. Böylelikle kuantum işlemciye sonuca gidip daha hızlı bir şekilde çalışma kabiliyeti vermiş oluyor. Bunun sonuncunda da aynı anda birden fazla hesaplama yapılarak eş zamanda birçok işlemin yapıldığını da söylemek mümkün.

Kuantum bilgisayarlarının çalışma mantığını anlatan ve aslında klasik işlemler için, klasik bilgisayarlardan hızlı olmadığını anlatan Türkçe altyazılı aşağıdaki videoyu seyretmenizi öneriririz.

Ayrıca şu videoyu da seyredebilirsiniz :

İşlem Kapasiteleri

kuantum-bilgisayar-3

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.

Bu bilgisayarlar derecesi 273 olan mutlak sıcak değerinin yalnızca 0.02 derece üzerinde olan bir çevrede çalışabilmesi gerekiyor. Bunca her şeye rağmen bu bilgisayarlara yeni nesil yüklemesi de yapmak doğru bir yaklaşım değil. Çünkü bu bilgisayarlara da kapasitesi ve kabiliyeti dışında bir görev verildiği zaman klasik bilgisayarların kendi kapasitelerini aşan bir durumla karşılaştığı zaman yavaş çalışması gibi bir sorunla karşılaşılabiliyor. Bu tür bilgisayarlar aslında daha üst seviye bir yapay zeka, yazılım ya da donanım yapmaya aracı olan, iş hızını arttıran bir araç olarak nitelendirilebilir fakat ne olursa olsun kuantum bilgisayarları çok başka anlamlara çıkartmamak kadar başka anlamlar kadar da küçük görmemek lazım.

Son olarak kuantum mekaniğini çok güzel örneklerle anlatan kuantum fizikçisi Shohini Ghose nin TED konuşmasını izlemenizi tavsiye ediyoruz :