Kuantum Bilgisayar Nedir?
Bilim kurgu filmlerinde senaristlerin laf kalabalığı yapmak için kullandığı; veya kız arkadaşını etkilemeye çalışmak için çeşitli fiziksel terimlerle kullandığı bir alandır kuantum. Aslında tarihi çok da eskiye dayanmayan kuantum fiziği, 20. yüzyılın tam da başında yani 1900 yılında ortaya çıkan bir kavram.
Kuantum Nedir?
Kuantum nedir sorusuna net bir yanıt vermek zordur ancak temel olarak ifade etmek gerekirse kuantum fiziği; maddenin ve ışığın atom hatta atom altı seviyedeki davranışlarını inceleyen bir bilim dalıdır. Kuantum fiziği aynı zamanda elektron, kuark, proton, nötron, gluon gibi parçacıkların birbirleriyle olan ve ışık, x ışını, gama ışını etkisindeki hareketlerini gözlemler.
Bu yazımızda kuantum nedir sorusunu uzunca açıklamayacağız asıl konumuz bu değil ama kuantum fiziğinin bazı ilkelerini anlatacağız.
Süperpozisyon
Kuantum süperpozisyonu anlamak için çift yarık deneyi çok güzel bir örnek. Deney için bir parçacık (elektron) kaynağı, üstünde çok ufak yarıklar oluşturacağımız bir perde ve parçacıkların çarptıkları zaman aydınlık bir iz bırakacağı bir ekran gerekiyor. Önce perdenin tam ortasına attığımız tek yarık ile başlıyoruz. Elektronlar yarıktan geçip ekranın üstünde tam yarığın karşısında olacak şekilde iz bırakıyorlar. Bu iz kırınım etkilerinden dolayı yarıktan biraz daha geniş. Çift yarıklı bir perdede deneyi tekrarladığımız zaman elektronların parçacık olmalarından ötürü bir değil iki tepeli bir desen görmeyi bekliyoruz. Fakat böyle olmuyor. Elektronlar parçacık olmalarına rağmen dalga özelliği gösterip ekranda girişim deseni oluşturuyorlar.
Bilim insanları elektronların birbirine kuvvet uygulamış olabileceğini düşünüp tek tek atıyorlar ama sonuç aynı. Sonrasında da belki bizim göremediğimiz bir şey vardır diye düşünüp yarıkların önüne bir kamera (gözlem) sistemi koyuyorlar ve deneyi tekrarlıyorlar. Bu sefer işler daha da karmaşıklaşıyor ve perdede iki tepeli bir desen oluşuyor. Yani elektronlar parçacık gibi davranıyor. Kamera sistemini kapattıklarında ise elektronlar dalga gibi davranıp bir girişim ( birden çok tepesi olan görüntü) deseni oluşturuyorlar. İşler çıkışılmaz bir noktaya geliyor çünkü elektronlar hem parçacık hem de dalga gibi davranıyor ve bir şekilde gözlemlendiklerini anlayabiliyorlar. Süperpozisyon ilkesi de aslında buradan doğuyor. Özetle süperpozisyon bir parçanın aynı anda birden fazla durumda bulunabilmesi oluyor.
Dolanıklık
Öncelikle bu ilke diğerine göre çok daha önemli çünkü klasik fiziğimizi altüst ediyor neredeyse en kısa ve bizim için gerekli kısımları anlatmaya çalışacağım bu yazımızda.
Bu ilkeye göre aynı anda ya da aynı kaynaktan yaratılan iki madde ya da nesne, birbirleri ile sürekli bir dolanıklık halinde bulunur. Örneğin aynı anda fırlatılmış fotonlar, birbirleri ile sürekli etkileşim halindedir. Bu kısım halihazırda çok önemli bir detay gibi gözükmeyebilir. Çünkü evrende var olan her şeyin birbiri ile etkileşim halinde olduğunu söyleyen pek çok teori ve iddia zaten bulunuyor. Ancak işler tam da bu andan itibaren garipleşiyor. Örneğin aynı kaynaktan fırlatılan iki elektronun birbirine zıt bir şekilde döndüğünü varsayalım. Siz bu elektronlardan birisini, birbirine ne kadar uzakta olursa olsun döndürürseniz, diğeri de aynı anda yönünü değiştirir.
Öncelikle bu iki parçanın kopya veya klon olmadığını, hızlarının, spinlerinin ve pozisyonlarının farklı olduğunu belirtelim. Tüm bu alakasızlığa rağmen aynı anda veya aynı kaynaktan fırlatılan bu maddeler, birbirlerine ne kadar uzak olurlarsa olsunlar etkileşim halinde bulunurlar.
Burada dikkat etmemiz gereken bir nokta da, birisinin yönünü çevirdiğinizde diğerinin de aynı anda tepki vermesi. Örneğin iki parçanın birbirine üç ışık yılı uzakta olduğunu varsayalım. Uzaydaki en üst hız limitinin ışık hızı olduğunu kabul edersek, iki parçanın birbiri ile iletişim kurması en üst hızda üç yıl sürer. Ancak bu maddeler üç ışık yılı da, üç milyon ışık yılı da uzakta bulunursa bulunsun, aynı anda etkileşime geçiyorlar.
Kuantum Bilgisayarlar Nedir?
Kuantum bilgisayarlar; normal bilgisayar işlemlerini ve veriler üzerinde işlemleri süperpozisyon ve dolanıklık gibi farklı kuantum fiziği olgularını kullanarak gerçekleştiren cihazlardır. Bu sayede klasik bilgisayarların ulaşamayacağı işlem gücüne ve hıza ulaşabilirler.
Bu bilgisayarlar verileri depolamak ve hesaplama yapmak için kuantum fiziğinin özelliklerini kullanırlar. Kuantum fiziği ise atomik ve atom altı düzeyde doğanın ve maddenin davranışlarını inceleyen, yöntem olarak olasılığı benimsemiş bir modern fizik dalıdır.
Kuantum Bilgisayarlara Neden İhtiyaç Duyulmuştur?
Teknoloji oldukça hızlı gelişiyor bundan kaynaklı artık bir sınıra ulaşıyoruz. Bu sınırı daha önce belirten yasa ise İntel şirketinin kurucularından Gordon Moore’un adıyla anılan Moore Yasasıdır. Bu kanun bizlere mikroçipler üzerine yerleştirilen transistörlerin her 18 ayda bir iki katına çıkacağını, bunun bilgisayarların işlem kapasitelerinde büyük artışlar yaratacağını, üretim maliyetlerinin ise aynı kalacağını, hatta düşme eğilimi göstereceğini öngören bir gözlemdir. Günümüzde de transistörler çok fazla küçülerek neredeyse bir atom boyutuna ulaştı ve 2nm 50 milyar transistöre sahip mikroçipler geliştirilerek artık fiziksel sınırlarına da ulaşmaya başladılar. Fiziksel sınırları burada artık atomların dünyalarına girmesi ve bu dünyada bizim fiziğimizin yetersiz olmasından kaynaklı kararlı çalışmamalarına sebep olacaktır. Makro dünyada bizim fizik yasalarımız işe yarasa da mikron dünyaya yani atomların dünyasına girdiğimizde bizim fizik yasalarımızın pek bir hükmü kalmıyor ve yerini kuantum fiziğine bırakmak zorunda kalıyor. Bu yüzden bundan daha küçük transistörler geliştirilmeye kalkışıldığında ise devreye kuantum fiziği giriyor.
Ayrıca kuantum bilgisayarları kuantum fiziğinin süperpoziyon, dolanıklık gibi özelliklerini de kullanarak mevcut bilgisayarlarımıza göre çok daha hızlı işlemler yapmamıza olanak sağlıyor. Bu da bize çok büyük verili karmaşık işlemleri mevcut bilgisayarlarımıza göre çok daha kısa sürelerde yapmamıza olanak sağlıyor. Öyle ki artık geliştirilen kuantum bilgisayarlar, mevcut süper bilgisayarların 10.000 yılda tamamlayabileceği bir hesaplamayı yalnızca 200 saniyede bitirebiliyor. Bu yüzden Google, IBM, NASA, NSA gibi pek çok büyük kuruluşlar bu alanda çalışmalar ve para harcamaları yapmaktadır.
Ama unutmamak gerekir ki kuantum bilgisayarlarının bizim bilgisayarlarımızın yerini alması hala düşük bir ihtimal. Çünkü kuantum bilgisayarları bireysel kullanım için pek iyi sayılmaz evet çok faza hızlılar ama paralel çalışan çok büyük verili işlerde iyiler. Yani klasik bilgisayarlarımızın şuan için çok daha uzun süreler bizlerle olacağını söylemek mümkün ancak daha gelişmiş daha fazla ve daha küçük transistörlere sahip mikroçipler nereye kadar yapabiliriz o hala bir belirsizlik. Belki de bir dönemden sonra daha gelişmiş mikroçipler olmayacak ve gelebildiğimiz son noktadaki mikroçipi uzun bir süre kullanmaya devam edeceğiz.
Kuantum Bilgisayarlar Nasıl Çalışır?
Kuantum bilgisayarlarının nasıl çalıştığını anlatmadan önce klasik bilgisayarlarımızın nasıl çalıştığına bir değinelim. Klasik bilgisayarlar işlemlerini ikili sayı sistemi dediğimiz 0 ve 1 değerlerini baz alabilen “Bit” ler (Binary digit) yardımıyla yaparlar. Bu sistem bir devre üzerindeki elektrik akımının bir anahtar yardımıyla açılıp kapanması esasına dayalıdır. Anahtarın açık olması durumu 0, kapalı olması durumu 1 şeklinde kullanılarak ifade edilir. Bunları çoğumuz az çok biliyoruz zaten ancak kuantum bilgisayarlarına geçtiğimizde bilgilerimizin pek bir önemi kalmıyor. Klasik bilgisayarlarda bir devre elemanının açık ve kapalı olması durumuna göre değişen durumlar kullanılırken, kuantum bilgisayarlarda bir atomdan da küçük ortamlar kullanılır. Örneğin atom çekirdeği ya da elektronlar kübit olarak kullanılabilir. Yani kuantum bilgisayarlarda temel bellek birimi olarak “Bit” kavramı yerine “Qubit” (Quantum-bit) kullanılmaktadır.
İkili kod sistemiyle çalışan klasik bir bilgisayarda bir bit yalnızca 1 veya 0 olabilirken, bir kuantum bilgisayarda kübit, 1 ve 0 olmanın yanında aynı anda hem 1 hem de 0 olabilir. Bunu yaparken en baştan beri söylediğim kuantum fiziğinin tuhaf olgularından biri olan “süperpozisyon” ilkesini kullanarak yapar.Normal bitler 1 ya da 0 değerlerini kullanırken, süperpozisyon sayesinde kübitler aynı anda hem 1 hem 0 hem de bu ikisi arasındaki değerleri alabilir. Tabi kuantum bilgisayarları sadece bu tuhaflıkla kalmıyor bir de bizim fiğimize göre oldukça tuhaf olan “dolanıklık” ilkesini de kullanıyor. Böylece her kübit birbiri ile dolanık bir şekilde çok büyük bir hızda iletişim halinde kalarak paralel işlemler gerçekleştirebiliyor. Özetle süperpozisyon ve dolanıklık sayesinde kuantum bilgisayarları bizim bilgisayarlarımıza göre çok ama çok hızlı. n kubitli bir kuantum bilgisayarının klasik bir bilgisayara göre işlem kapasitesi 2 üzeri n bittir. Bu hızı ve gücü çok bilinen örneklerden biriyle açıklamak gerekirse 1000 odalı bir otelde anahtarınızı kaybettiğinizi düşünün. Klasik bir bilgisayar her odayı sıra ile gezmek zorundadır ama kuantum bilgisayarı (kübit sayısı da burada önemli bir faktör unutmamak gerekir) süperpoziyon sayesinde her odaya aynı anda girerek ve dolanıklık sayesinde de iletişim halinde kalarak bir sürü olasılık sonuçları doğurur ve sonunda da anahtarınızı kolayca bulur.
Kuantum Bilgisayarının Korunması ve Engeller?
Kuantum bilgisayarlar şimdilik oldukça hassastır: ısı, elektromanyetik alanlar ve hava molekülleriyle çarpışmalar bir kübitin kuantum özelliklerini kaybetmesine neden olabilir. Kuantum uyumsuzluğu olarak bilinen bu süreç, sistemin çökmesine neden olur ve daha fazla parçacık dahil edildiğinde bu süreç daha hızlı gerçekleşir. Kuantum bilgisayarların, kübitleri fiziksel olarak izole ederek, serin tutarak veya kontrollü enerji darbelerinden uzak tutarak, dış müdahalelerden korumaları gerekir bu yüzden vakum tüplerinin içinde muhafaza ediliyor bu kübitler. Dış ortamdan gelebilecek etkilerin ortadan kaldırılması için yine kuantum bilgisayarlarının –273 derece olan mutlak sıcaklığa çok yakın bir ortamda çalışması gereklidir. Çünkü ısı enerji demek ve enerji ne kadar yüksek olursa atomlar ve elektronlar o kadar dengesiz oluyorlar, daha fazla hareket ediyorlar. Stabil olmaları için işte çok çok soğuk bir ortamda tutulmaları gerekiyor. Bu kadar düşük sıcaklıklar yalnızca çipin sıvılaştırılmış helyum yardımıyla soğutulmasıyla elde edilebilir. Yani şu anda kuantum bilgisayarlarının ilkel dönemindeyiz desek yeridir. Klasik bilgisayarların kocaman olduğu dönemler gibi.
Kuantum Bilgisayarlarının Geleceği
Kuantum bilgisayarlar, süper pozisyon ilkesi sayesinde oluşturulabilen ve alışılagelmiş dijital bilgisayarlardan farklı olarak aynı anda birden fazla durumda bulunabilen kübitler sayesinde bugüne kadar kırılamaz kabul edilebilen şifreleri çözebilir duruma gelecek. Bu durum şu an bankacılıkta, e-posta hizmetlerinde, internet alışverişlerinde kullandığımız şifreleme yöntemlerinin baştan tasarlanması gerekliliğini doğuracak ve bizleri alıştığımız güvenli iletişim sistemlerini baştan değiştirmeye itecek.
Fakat kuantum bilgisayarlar bu sorunu çözebilecek başka bir teknolojiyi de barındırabilecek durumda. Kuantum dolanıklık ilkesini kullanan kuantum bilgisayarlar uzak mesafelerden birbirleriyle güvenli bir şekilde şifreli iletişim kurabilecekler. Günümüz bilgisayarlarıyla mümkün olmayan kuantum düzeyindeki simülasyonlar kuantum bilgisayarlar sayesinde gelecekte mümkün olacak ve bu sayede moleküler düzeyde proteinleri incelemek mümkün olacak.
Bu teknoloji kuantum modellemeleri mümkün kılarak nasıl tedavi edilebileceğini bilmediğimiz hastalıkların çözümlenmesine ve fiziğin bugün çözemediği problemlerine ışık tutulmasına yardımcı olabilir.
Özetle kuantum bilgisayarlar; güvenlik, finans, askeri işler, istihbarat, ilaç sanayi, havacılık, kamu hizmetleri, polimer tasarımı, makine öğrenimi, yapay zekâ (AI), büyük veri ve dijital dönüşüm alanlarına büyük katkı sağlama potansiyeline sahip.
Kuantum Programlama
Şu anda kuantum bilgisayarları konusunda Amerika, Çin ve Japonya başta olmak üzere gelişmiş ülkeler milyarlarca dolar yatırım yapıyor. Ülke bütçelerinden pay ayırıyor ve kuantum bilgisayarı programcıları ve uzmanları yetiştirmek amacıyla müthiş bir yarış içindeler.
Birçok şirket bizlere kuantum programlama yapma seçeneği sunuyor. Bunlardan en önemlilerinden birkaç tanesini sıralayalım:
- IBM 2016 yılında kuantum meraklıları için ‘IBM Quantum Experience’ ile herkese açık hale getirdiği bir bulut servisi oluşturdu.
- Microsoft Azure Quantum’u öğrenci mailinizle açarak form doldurarak deneyebilirsiniz.
- Aynı zamanda Python ile IBM’in açık kaynaklı Qiskit kütüphanesini kullanabilirsiniz.
Ama unutmamak gerekir ki bizim bildiğimiz programlamadan tam anlamıyla farklı olduğu söylenebilir. Tanımlamalarından bir özet çıkartacak olursak: kuantum programlamayı kuran temel bileşenler kübitler, kuantum mantık kapıları ve kuantum devreler olarak söylenebilir.
Bu yarış öyle bir yarış ki katılan herkes kazanacak. Çünkü kuantum bilgisayarları en basit haliyle sınırsız güç anlamına geliyor. Ve şu an ilkel dönemindeyiz geleceğin Steve Jobs, Bill Gates’ leri bu alandan çıkacak ve geleceğimizi şekillendirecek.
