Kuantum Bilgisayıma Dair 5 Yanlış Kanı
Bu yazıda Dominic Walliman’ın Domain of Science kanalında hazırladığı “5 Quantum Computing Misconceptions” videosu temelinde kuantum bilgisayıma dair beş yanlış kanıya değineceğiz. Kuantum bilgisayar nedir, bu teknolojiler neden önemlidir, ekonomik olarak bir anlamı var mıdır veya nasıl çalışırlar gibi sorulara dair daha önce yazdıklarımıza bu sayfanın en altındaki linklerden ulaşabilirsiniz.
Kuantum Bilgisayım Paralel Hesaplama mı?
Medyada pek çok yerde kuantum bilgisayarların aynı anda tüm çözüm yollarını deneyerek işlem yaptığı söylenip mevcut elektronik bilgisayım sistemlerindeki paralel hesaplamayla analoji yapılır. İşlev olarak benzer görünseler dahi yapı olarak kuantum bilgisayarların paralel hesaplamayla fazlaca benzerliği bulunmamaktadır, hatta daha da ötesinde bu bilgisayarları paralel hesaplama yöntemleriyle çalıştırmaya çabalarsak işe yaramadıklarını görürüz. Peki neden?
Kuantum bilgisayımın klasik karşılığına göre çok daha hızlı/verimli olabileceği beklentisi her eklenen kübit için aynı anda ‘süperpozisyon’a girebileceği kuantum durum sayısının 2'nin üstel katları şeklinde artmasından kaynaklanır. Yani 1 kübit için 2, 2 kübit için 4, 3 kübit için 8 şeklinde giden bir artış. Bu özellik yalnızca elinizdeki tüm kübitlerin ortak çalıştıkları durumda mümkündür ancak paralel hesaplama yöntemlerinde elinizdeki veriyi küçük paketlere ayırıp farklı işlemcilere gönderirsiniz. Dolayısıyla kuantum bilgisayımı elimizdeki bilgisayarlardan ayıran süperpozisyon ve dolanıklık özelliklerini yok etmiş olursunuz. O zaman klasik bilgisayarlarla kuantum işlemleri nasıl simüle ediyoruz?
Paralel hesaplama burada bir ‘benzetim’ yöntemiyle karşımıza çıkıyor ve piyasada bulunan pek çok kuantum simülatör paralel hesaplama üniteleriyle çalışıyor. Buradaki sıkıntıysa 40 kübiti simüle etmek için gereken hesaplama gücünün 30 kübiti simüle edebilmek için gereken hesaplama gücünden 2 üzeri 10 (yani 1024) kat daha fazla olması. Gerçekten ticari olarak bir fark yaratacak algoritmalar için 100 ila 1000 arası kübit gerektiğini ve 50 kübitlik sistemler için dahi küçük çaplı süperbilgisayarların gerektiğini göz önünde bulunduracak olursak, paralel hesaplamanın kuantum bilgisayımın yerini neden tutamayacağını görmek mümkün.
100 kübit gerçekten de 100 kübit midir?
Google’ın 72-kübitlik Bristlecone işlemcisi duyurulduğunda kuantum üstünlük çağına dair pek çok şey yazıldı. Bu elbette müthiş bir başarı olsa dahi gözden kaçırmamak gerekir ki, mantıksal kübitlerle fiziksel kübitler aynı şey değiller. Daha önce kuantum bilgisayarların matematiği üzerine yazdığımızda kübitlerin matematiksel/mantıksal olarak aşağıdaki gibi temsil edildiğine değinmiştik. Bunlara mantıksal kübitler (logical qubits) denir.
Kuantum algoritmalar mantıksal kübitler için yazılırlar, o nedenle birisi size “elimdeki algoritma 100 kübitte çalışır” dediğinde asıl anlatmaya çalıştığı 100 mantıksal kübitle çalışacağıdır. Oysa aktüel olarak kuantum bilgisayarlardan bahsederken fiziksel kübitler söz konusudur. Bu nedenle mantıksal kübitlerin fiziksel gerçeklenimleri birden fazla şekilde olabilir (süperiletken kübitler, iyon tuzakları, optik sistemler ve daha nicesi). Kısacası kuantum özellikler gösteren ve iki aşamalı (0–1) kodlanabilir herhangi bir sistemden fiziksel kübit yaratıp bunların düzgün manipülasyonuyla mantıksal kübitler elde edebilirsiniz.
Çalıştığınız sisteme göre 1 mantıksal kübit için 1 veya 1000 fiziksel kübite ihtiyacınız olabilir, üstüne üstlük bu kübitlerin birbirine bağlantıları da sistemden sisteme değişir. Optik sistemlerde kodlama kolay ve ucuzdur ama mantık kapılarını uygulamak ve kodlanan bilgiyi depolamak zordur, o nedenle bir mantıksal kübiti binlerce fiziksel kübite kodlayabilirsiniz. Oysa süperiletken kübitleri üretmesi de çalıştırması da zor ve pahalıdır, o nedenle bir mantıksal kübit için ne kadar az fiziksel kübite ihtiyacınız olursa sizin için o kadar iyidir. Kısacası, her 50 kübitlik bilgisayar 50 kübitlik algoritmaları çalıştıracak diye bir kaide yoktur.
Şifrelerimiz güvende mi?
Daha önce tüm sırların ifşa olacağı ve kripto camiasında biraz da abartılarak ‘kuantum kıyamet’ diye dile getirilen eşiğe dair yazmıştık. Shor algoritmasının bir sayıyı çarpanlarına ayırma konusundaki hızına dayanan bu mesele aslında 90larda kuantum bilgisayara olan ilgiyi gerçekten hızlandıran şeylerden birisi, bu nedenle de medyada çok yer alıyor. Peki bu sözünü ettiğimiz gün gerçekten ne kadar yakın, IBM veya Google yakında dünyadaki tüm devlet sırlarına erişebilecek mi?
Shor algoritmasının 128-bitlik RSA şifreleme sistemini kırabilmesi için yaklaşık 1000 mantıksal kübite ihtiyacı var, ve 1000 mantıksal kübit için şu anki hata düzeltme mekanizmalarıyla birlikte yaklaşık 1.000.000 fiziksel kübit gerekiyor, bizim elimizdeki en iyi sayı 72. Ayrıca çoğu hassas bilgi içeren sistemler ya daha gelişmiş ya da çarpanlara ayırmaya karşı dayanıklı şifreleme yöntemleri kullanıyor (elbette onlara karşı da farklı kuantum algoritmalar geliştirilebilir). Yani internetteki klasik şifreleme sistemlerinin yakın zamanda çökmeyeceğini söyleyebiliriz. Ancak eğer IBM, Google ve Microsoft planladıkları hızda ilerlerlerse önümüzdeki 10 sene içerisinde milyonlarla ifade edilen fiziksel kübit sayıları hayal olmaktan çıkabilir.
Milyon kübit gerçekten mümkün mü?
Yalnızca Avrupa bünyesinde kuantum teknolojilerine harcanması planlanan para önümüzdeki on yıl için 1,5 milyar Euro. Amerikan ve Asya firmalarının da kendi devasa yatırımları var. Elbette tüm bu paralar yalnızca kuantum bilgisayar yapmaya gitmiyor ancak bu teknolojilerin medyaya en yansıyanı kuantum bilgisayar. Peki çalışacağının gerçekten bir garantisi var mı?
Ölçeklenebilir (scalable) kelimesi burada önemli rol oynuyor. Yukarıda da belirttiğimiz üzere paralel olarak çalışan 2 tane 50 kübitlik sistem yerine tek bir 52 kübitlik sistem çok daha güçlü. O nedenle eğer kaç kübiti birbirine tam olarak bağlayabileceğimizin pratik bir üst sınırı varsa (kuantum mekaniğin artık yerini klasik etkileşimlere bıraktığı nokta) kuantum bilgisayarların da gücünün sınırı o nokta olabilir. Eğer bu sınır 100 kübit gibi bir noktada karşımıza çıkarsa hayalini kurduğumuz pek çok şey ya yapılamaz hale gelecek ya da gerçekleştirmesi umduğumuzdan çok daha pahalıya patlayacak. Fakat bunu anlamanın ve öğrenmenin tek yolu gerçekten bu aletleri yapıp deneyip test etmek, dolayısıyla her ne kadar IBM, Google, D-Wave, Microsoft, Huawei ve daha onlarca firma bu işe girmiş olsa dahi işin temel bilimsel araştırma yönü henüz kesinlikle sona ermiş bir konu değil.
Kuantum Üstünlük mü Avantaj mı?
Bu kavramların ayrımına dair bu yazımızın ilk kısmını okuyabilirsiniz. Özet geçmek gerekirse de kuantum üstünlük basitçe kuantum bilgisayarların bir işi klasik bilgisayarlardan şüpheye yer bırakmayacak şekilde daha iyi yapacakları bir eşik, kuantum avantaj ise bu bilgisayarların klasik karşıtlarına göre sağlayacakları avantaj. Geçtiğimiz ay yalnızca kuantum bilgisayarın çözebileceği bir algoritma üzerine bazı yazılar yazılmıştı, bu nedenle kuantum üstünlük yine ilgi çekici bir alan haline geldi.
Burada aslında bahsedilmeye çalışılan konu bilgisayar bilimcilerinin ‘karmaşıklık teorisi’ diye adlandırdıkları bir kuramın kuantum bilgisayarlarda klasik bilgisayardan farklı işleyeceği, bu nedenle kuantum bilgisayımın kendi karmaşıklık sınıflarına sahip olacağı ve bu sınıfların bazılarının klasik bilgisayarlar için ‘zor’ problemleri ‘makul’ karmaşıklıkta çözebileceği. Bunun olacağına dair kesin bir kanıt henüz (benim bildiğim kadarıyla) yok, olmayacağına dair de yok. Elimizdeki en yaygın yaklaşım olan heuristik algoritmalar matematiksel kanıtlardan ziyade “deneyelim görelim” prensibine göre algoritmaları karşılaştırmak üzerine kurulu. Eğer günün birinde birisi klasik ve kuantum karmaşıklık sınıfları arasında genel geçer analitik bağlantılar kanıtlayabilirse belki de bu tartışmaların bir sonu gelebilir.
Toparlarsak
Bu yazıda Domain of Science’ta ele alınan kuantum bilgisayıma dair beş yanlış kanı videosunu takip ederek konuları açtık. Konunun giderek popülerleştiği şu günlerde insanların yanlış veya hatalı beklentilere girmesinin, medyanın konuyu “ne zamana ışınlanıyoruz” gibi yerlere çekmesinin ceremesini çekmek istemeyen bilim insanları olarak ara ara böyle düzeltmeler yapmanın gerekliliği ortada. Youtube üzerinden popüler bilimi doğru şekilde işlemeye çalışmanın zorluğu üzerine de daha önceden yazmıştık. Bu nedenle DoS gibi kanalların değerini bilmenin, ürettikleri içeriği kullanmanın ve yaygınlaştırmanın önemli olduğunu düşünüyoruz.
Kuantum teknolojileri üzerine eski yazılarımız;
-Kuantum Bilgisayar İçin Hangi Yan Sanayiler Gerekiyor
-Kuantum Üstünlük Çağı Yaklaşırken
