Gönül Dergisi | Kültür ve Medeniyet Dergisi Gönül Dergisi
Kuantum bilgisayar nedir? Tarihçesi nedir?
Kuantum bilgisayarlar, klasik süper bilgisayarlardan temel olarak farklı yeni nesil bilgisayarlardır. Kuantum bilgisayarlar, verilerin oluşturulması ve işlenmesi süreçlerini, belirsizlik ilkesi, süper pozisyon ve kuantum dolaşıklığı gibi özgün kuantum fiziği özelliklerini doğrudan kullanarak klasik bilgisayarların ulaşamayacağı işlem gücü avantajı ile gerçekleştirebilen bilgisayarlardır. Bu yeni devrimsel teknolojiyi anlamak için kuantum fiziğinin, günümüzün klasik düşünce felsefesinden farklı, deterministik olmayan bu ilkelerin iyi anlaşılması, bu kavrama seviyesine ulaşmak için ise ileri matematik bilgisi gerekmektedir. Bu yazıda, bu ilkeler ve bu ilkelere dayalı kuantum bilgisayar teknolojisi basit olarak, ileri matematik bilgisine ihtiyaç duyulmadan anlaşılır bir özet olarak anlatılmaya çalışılacaktır.
Bu bilgisayarlar, klasik bilgisayarların daha hızlı bir versiyonu olarak düşünülmemelidir. Temel prensipleri açısından farklı teknolojilerdir. Kuantum bilgisayarları, teorik olarak geliştirilebilecek en güçlü klasik süper bilgisayarlar tarafından bile çözülemeyen karmaşık hesaplama sorunlarını çözme potansiyeline sahiptirler. Klasik bilgisayarların sahip olamayacağı, kuantum bilgisayarların temel veri birimi olan qubitlerin kuantum belirsizlik, süperpozisyon ve dolanıklık özelliklerinden dolayı gerçek paralel hesaplama ve algoritmaları yürütebileceklerdir. Günümüzün kriptoloji algoritmalarını ve bu algoritmalar ile oluşturulmuş şifreleri çok kısa zamanda çözebilecektir. Yapay zekâ ve yapay öğrenme teknolojilerinde klasik bilgisayarların yapamayacağı gelişmeler sağlayacaktır. Klasik bilgisayarların alternatifi değil, bu bilgisayarlar tarafından çözülemeyecek problemleri çözebilecek yeni teknolojidir.
Kuantum bilgisayarları fikri ilk kez fizikçi Paul Benioff’un Turing makinesinin (klasik bilgisayarların kavramsal modeli) kuantum mekanik bir modelini önerdiği 1980’lerin başında başladı. 1982 yılında ünlü fizikçi Feynman, klasik fizik yasaları yerine kuantum mekaniği yasalarına dayalı makineler oluşturma fikrini önerdi. 1985 yılında David Deutsch, kuantum turlama makinesini geliştirdi ve kuantum devrelerinin evrensel olduğunu gösterdi. 1994 Yılında Peter Shor, polinom zamanında çok büyük sayıları hesaba katmak için bir kuantum algoritması geliştirdi. 1997 Yılında Lov Grover, O (√N) karmaşıklığına sahip bir kuantum arama algoritması geliştirdi. Bu çalışmalar kuantum bilgisayarların kavramsal çalışmalarıdır (kuantum hesaplamalar ve kuantum bilgi teorisi). 2000’li yıllardan sonra, pratik ve stabil çalışan evrensel kuantum bilgisayarların hayata geçirilmesi için deneysel çalışmalar yapılmıştır. 2001 yılında Shor algoritması, IBM ve Stanford Üniversitesinde, Nükleer aktif spine sahip 1018 molekül kullanılarak, 15 sayısının çarpanlara ayrılması için uygulandı. 2004 yılında, Innsbruck Üniversitesi’ndeki fizikçiler, bir çift tuzağa düşürülmüş kalsiyum iyonu arasında deterministik kuantum durum ışınlaması göstermişlerdir. Yine aynı yıl ilk çalışan saf durum NMR kuantum bilgisayarı (parahidrojene dayalı) Oxford Üniversitesi ve York Üniversitesi’nde yapıldı. 2007 yılında D-Wave firması, 28 qubitlik bir kuantum bilgisayar gerçekleşti. 23 Ekim 2019’da Google AI, ABD Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi (NASA) ile ortaklaşa, kuantum üstünlüğüne ulaştığını iddia ettikleri bir bildiri yayınladı. Bazıları bu iddiayı tartışmış olsa da, kuantum hesaplama tarihinde hâlâ önemli bir kilometre taşıdır.
Kuantum bilgisayarların nasıl bir çalışma mantığı var? Şu an kullandığımız bilgisayarlardan farkı nedir?
Kuantum bilgisayarların çalışma prensiplerini ve neden ihtiyaç duyulduğunu kavrayabilmek için klasik bilgisayarları ve bunların çalışma prensiplerini anlamamız gerekir. Bilgisayarlar, günümüz teknoloji devriminin temelinde yer almaktadır. Kavramsal olarak günümüz bilgisayarları, alfabesi iki sembolden oluşan sonlu bir durum makinası olan Turing makinasıdır. Bu kavramsal makinanın gerçeklenmesi, basitçe alan etkili transistörlerden 0 ve 1 sinyallerinin üretilmesi ile yapılmaktadır. Klasik bilgisayarların gelişimi alan etkili transistörlerin geliştirildiği 1960’lardan bu yana aynı prensiplere dayanmaktadır. Bu bilgisayarların teknolojik ilerlemesi basitçe merkezî işlem birimi içerisindeki transistör sayısının artışı olarak ortaya çıkmaktadır. Fakat bu ilerlemenin teknolojik bir sınırı vardır. Diğer problem ise kullanılan teknoloji ile yalnızca 0 ve 1 durumu tasvir edilebilmektedir. Bu nedenle klasik bilgisayarlarda, günlük hayatta kullandığımız gerçek sayılar ile işlem yapabilmek için belirli operasyonların gerçekleştirilmesine ihtiyaç vardır.
Klasik bilgisayarlarda, veri, ikili sayı sisteminde (binary) tanımlanır ve bit (Binary Digit) olarak adlandırılır. Bir bit, 0 veya 1 değerlerinden yalnızca birini alabilir ve böylece en fazla iki farklı durumu tasvir edebilir. Bu durum temel olarak deterministik bir yaklaşımdır. Bunu basit bir anoloji ile anlatabiliriz. (Bu analoji qubitlerin tasvirinde de kullanılacaktır.) Elimizde bir bozuk para olsun ve bu para ile yazı-tura oynadığımızı düşünelim. Bu durumda, kesinlikle ya yazı (Y) ya da kesinlikle tura (T) gelecektir. Elimizdeki iki parayı aynı anda atacak olursak kesinlikle 4 durumdan birisi oluşacaktır; YY, YT, TY, TT. Paraların (bitlerin) sayısının artması ile temsil edilebilecek durum sayısı da artacaktır. Örneğin 8 bit (1 Byte) den oluşan bir veri ile 28=256 farklı durum tasvir edilebilir.
Peki, kuantum bilgisayarlarında temel veri nasıl tanımlanmakta, bu tanımlamanın farkları nelerdir? Kuantum bilgisayarların temel veri birimi qubitlerdir (kuantum bitleridir). Qubit kavramı ilk kez Benjamin Schumacher tarafından 1995 yılındaki makalesinde ortaya konulmuştur.1 Qubit kavramını anlayabilmek için öncelikle kuantum süper pozisyon, ölçüm ve çökme kavramlarını anlamamız gerekir.
Klasik fizikten, kuantum fiziğine geçişte, fiziksel dünya anlayışımızda devrimsel değişikliklere ihtiyacımız vardır. Kuantum fiziğinde, bir kuantum sistemi (Örneğin bir elektron), bu sistemin alabileceği olası değerlerin üst üste binmesi şeklindedir. Bu duruma kuantum süperpozisyon denir. Belirli bir anda, bir ölçüm veya gözlem yapıldığında sistem ölçüm tabanlarından birine çöker. Önceki süperpozisyonlar hakkında hiçbir bilgi kalmaz. Bir sistemin hangi temellere çökeceğini tahmin edemeyiz; ancak, sistemin bilinen bir durumu verildiğinde, her bir temeli ölçme olasılığını tahmin edebiliriz. Bu durumun klasik fizikte karşılığı yoktur fakat basitçe anlaşılabilmesi için, bu durumu yukarıdaki yazı tura analojisi ile tasvir edersek, paranın durumu yazı veya tura olarak değil bu iki durumun üst üste binmesi (süper pozisyonu) olarak tanımlamamız gerekir. Eğer biz parayı masa üzerine atmak yerine masa üzerinde dik olarak döndürdüğümüzü ve karşıdan baktığımızı düşünürsek, göreceğimiz paranın hem yazı hem tura durumunu aynı anda görürüz. Yani eğer para bir kuantum sistemi olsa idi yazı veya tura durumları, bu olası iki durum olan yazı ve tura durumlarının belirli olasılıklardaki süperpozisyonu ile tanımlanırdı. Bu para ile ilgili belirli bir anda bir ölçüm yaptığımızda (örneğin fotoğrafını çektiğimizde) yazı veya tura değerlerinden birini görürüz. Yani sistem üzerinde ölçüm yapıldığında yazı veya tura durumlarından birine çökmektedir. Diğer durum bu fotoğrafta görünmez ama dönmekte olan para üzerinde iki durumda olasılıklarını korumaktadır.
Yukarı ve aşağı değerlerini alabilen spin olarak adlandırılan bir özelliğe bir elektron veya yatay veya dikey polarizasyon özelliğine sahip bir foton, bir qubiti gerçekleyebilecek kuantum sistemler olarak ele alınabilir. Burada dikkat edilmesi gereken konu seçilen kuantum sistemler, günümüzün algoritmalarına ve program tasarım mantalitesine uygun olarak |0> ve |1> durumlarından birine çökebilecek iki durumlu kuantum sistemleridir.
Bir qubit, iki olası temel kuantum durumunun (|>ve |1>) süper pozisyonu ile temsil edilir. Fakat herhangi bir ölçüm sırasında bir duruma çöker (|0> veya |1>). Klasik elektronikte bulunmayan Hadamart kapısı gibi bir operasyon ile de örneğin ölçüm değeri, |1> değerine çökmüş olan bir qubit’ten, |0> ve |1> durumlarının süperpozisyonu olan qubit elde edilebilir.
Böylelikle, bir qubit, 2 bit ile temsil edilebilecek bilgi temsil edilebilir. Yani N qubitli bir sistemde 2N bitlik bir sistem temsil edilebilir. 8 bitli bir sistemde 256 farklı durumu anlatabileceğimizi söylemiştir. Aynı sayıda durumu sadece 3 qubit ile hesaplayabiliriz.
Kuantum bilgisayarların, klasik fizikte ve buna bağlı geliştirilmiş klasik bilgisayarlarda olmayan, çok önemli imkânlar sağlayan diğer bir özelliği ise kuantum dolaşıklığı kavramıdır. Dolaşıklık, kuantum sistemlerin bir süperpozisyon içindeki durumlar arasında korelasyon sergileme yeteneğidir. Her biri | 0> + | 1> durumunda olan iki kubit düşünün. (|0> ve |1>’in bir üst üste binmesi) İki kübiti bir kübitin ölçümü her zaman diğer kübitin ölçümü ile ilişkilendirilecek şekilde dolaşıktır. Bir kübit ve bir klasikleşmiş bit arasındaki bir önemli ayırıcı özellik çoğul kübitler kuantum dolaşık sergileyebilirler. Bu çok karmaşık olan kavramı anlayabilmek için basit bir örnekle açıklamaya çalışalım. Etkileşim halinde iki kuantum sistem, örneğin iki elektronumuz olsun. Bu elektronların, dönüşlerini (spin) (elektronun dönmesi kavramı metafordur ve bir manyetik alandaki davranışlarını temsil eder) kuantum durumu olarak ele alalım. Bir elektronun spin değeri, spin yukarı (|1>) veya spin aşağı (|0>) değeri olacaktır. Bu durumların oluşma olasılıkları da örneğin %50 olsun. Bu etkileşim halindeki iki elektron birbirlerinden çok uzağa götürülmüş olsunlar (Birisi bir galakside diğeri başka bir galaksiye örneğin). Biz bu iki elektrondan herhangi birinin dönüş değerini önceden bilemeyiz. Fakat bu eşlenik iki elektrondan birisinin dönüşünü ölçtüğümüzde örneğin spin yukarı (|1>) durumuna çökmüş olsun (unutmayalım elektronun dönüş durumu bir kuantum durumdur ve spin yukarı (1) ve spin aşağı (|0>) durumlarının süper pozisyonudur). Bu durumda, kuantum mekaniğine göre diğer elektronun dönüş değeri spin aşağı (|0>) olduğunu (ya da tersi) artık bilebiliriz. Daha ilginç durum ise bu iki çok uzak elektronun dönüş durumları üzerinde bir işlem yaptığımızda (örneğin dönüş yönünü değiştirdiğimizde), AYNI ANDA diğer elektronun durumu da değişecektir. Bu ışık hızından hızlı olan bilgi transferi durumu kuantum ışınlanma olarak adlandırılır. Kuantum ışınlanma, kuantum bilgisinin (örn. Bir atomun veya fotonun tam durumu), klasik iletişim ve gönderen ve alan arasında önceden paylaşılan kuantum dolaşıklığı yardımıyla, bir yerden başka bir yere iletilebildiği bir süreçtir. Işık hızından daha hızlı ilerleyemeyen klasik iletişime bağlı olduğundan, ışıktan daha hızlı taşıma veya klasik bitlerin iletişimi için kullanılamaz. İki (birbirine dolanmış) kuantum arasında bir veya daha fazla qubitin ışınlanmasının mümkün olduğu kanıtlanmıştır.
Kuantum dolaşıklık ve kuantum ışınlanma gibi eşsiz kuantum mekaniği özellikleri kuantum bilgisayarlarına, kriptoloji, paralel hesaplamalar, kuantum ağlar gibi konularda, klasik bilgisayarların hiçbir zaman sahip olamayacakları üstünlükler sağlamaktadır.
Kuantum bilgisayardan neler bekleniyor? Kuantum bilgisayarları kimler kullanıyor, bu teknolojiyle kimler ilgileniyor? Stabil bir şekilde çalışan kuantum bilgisayarlar ne zaman kullanılır hale gelecekler?
Kuantum bilgisayarların, günümüz klasik bilgisayarların bir alternatifi değil bu bilgisayarlar ile yapılamayacak olan işlemleri ve operasyonları gerçekleştirme potansiyeli olan yeni bir teknoloji olduğunu anlamamız gerekir. Kuantum bilgisayarları, kuantum fiziği süreçlerinin simülasyonlarının yapılması, büyük şifreleme problemlerinin çözülmesi, büyük veri işlemlerinde arama algoritmalarının gerçekleştirilmesi, güçlü yapay zekâ algoritmalarının oluşturulması gibi aşırı karmaşık ve spesifik problemlerin çözümünde kullanılacaktır. Bu anlamda kuantum bilgisayarlar, son kullanıcı veya evlerimizde kullanacağımız bilgisayarlar olmayacaklardır. Örneğin kuantum bilgisayar olan bir cep telefonumuz olmayacak fakat klasik cep telefonumuzda web üzerinde bir arama yapmak istediğimizde bu arama süreçleri ve güvenlik işlemleri arka planda kuantum bilgisayarlar tarafından yapılabilecektir. Bunun birinci sebebi yukarıda açıklandığı gibi bu bilgisayarlar günlük hayatımızdaki problemlerle doğrudan ilgili çözüm yöntemleri ile ilgili olmamaları ve diğer bir nedeni ise bu bilgisayarları hayata geçirmekte karşılaşılan problemler.
DiVincenzo, 2000 yılında yazdığı makalede stabil çalışabilir bir kuantum bilgisayarı hayata geçirebilmek için, iyi tanımlı qubitlerin oluşturulabildiği ölçeklenebilir bir fiziksel sistemin oluşturulması, bu qubitlerin istenilen başlangıç durumlarına getirilmesi ve gerekli elektronik kapı operasyonları için bu qubitlerin tutarlılıklarını koruyabilmeleri, operasyonlar sonucunda qubitlerin tutarlı bir şekilde okunabilmesi gibi problemlerin çözülmesi gerektiğini bildirmiştir.2 Hadamart kapısı, kontrollü değil (CNOT) kapısı, Toffolli kapısı gibi evrensel kuantum operatörler tanımlanmıştır.
Günümüzde, bu kuantum operasyonlarını gerçekleştirebilen stabil kuantum bilgisayarları mevcuttur. Bu bilgisayarlar, süper iletken devreler, tuzaklanmış iyonlar, nötr atomlar, kuantum noktalar gibi ölçeklenebilir fiziksel sistemler ile gerçekleşmektedir. Google, Intel, IBM, D-Wave gibi firmalar, değişik fiziksel yöntemler ile değişik qubit sayılarına sahip kuantum bilgisayarları yapmışlardır. IBM firması, “IBM quantum experience” projesi ile kuantum bilgisayarlarını, internet üzerinden kullanıcılara ve programcılara açmıştır. Bu sistem üzerine üye olabilir ve IBM kuantum bilgisayarları üzerinde kuantum algoritmaları çalıştırılabilmektedir.
Kuantum bilgisayar neleri vaat ediyor, kuantum bilgisayar gelecekte neleri değiştirebilir?
Kuantum bilgisayarların vaadi, belirli hesaplama görevlerinin klasik bir işlemciye göre daha hızlı yürütülebileceğidir. John Preskill, bu varsayımsal hızlanma avantajına atıfta bulunmak için kuantum üstünlüğü (quantum supremacy) terimini ortaya atmıştır. 2019 Yılında Google, geliştirdiği 53 Qubit’e sahip Sycamore isimli kuantum bilgisayarı ile bu bariyeri aştığını iddia etmiştir. Bu bilgisayar bir lineer olmayan süper iletken mimarisi ile yapılmıştır. Bu bilgisayar ile 1 milyon döngüye sahip bir hesaplamayı 200 saniyede gerçekleştirdiğini rapor etmiştir. Bu hesap günümüzün süper bilgisayarları ile 10 bin yıl sürmektedir.3
Bu kadar büyük hız vadeden, kuantum üstünlüğüne sahip evrensel kuantum bilgisayar ile gelecekte bugün yapılması çok uzun zamanlar alan ve bazen imkânsız olan hesaplamalar gerçekleştirilebilecektir. Örneğin, bu günlerde yaşadığımız COVID-19 virüs salgını için, günümüz süper bilgisayarları ile aşı geliştirme çalışmaları devam etmekte ve bütün olasılıkların simülasyonları çok uzun sürmektedir. Eğer bu simülasyonlar, evrensel bir kuantum bilgisayarı üzerinde gerçekleştirilebiliyor olsa idi saniyeler içerisinde uygun aşı konfigürasyonları hesaplanabilirdi.
Kuantum bilgisayarları ile gerçekleşebilecek olan diğer çok önemli bir gelişme de, kuantum internetidir. Günümüz ağ teknolojileri ve internet altyapısı, belirli ardışık yöntemler üzerine kurulmuştur. Bilgi gönderme ve alma için uygulanması gereken operasyonlar belirli bir sıra ile gerçekleştirilmelidir. Ayrıca, bu veriler, kablolar üzerinden elektrik akımı veya fiber optik kablolar üzerinden ışık ile iletilmektedir. Bu iletim sırasında doğal olarak, kayıplar ve gecikmeler olmaktadır. Fakat kuantum mekaniğinin dolaşıklık, ışınlanma gibi özellikleri ile bu veriler, anında hiçbir gecikme ve kayıp olmaksızın bilgisayarlar arasında iletilebilecektir. Ayrıca kuantum bilgisayarları, gerçek paralel operasyonları gerçekleştirebileceklerinden yapılması gereken ardışık işlemleri aynı anda yapabileceklerdir. Ayrıca bu kuantum haberleşme mekanizmasının çok önemli bir diğer özelliği de, haberleşmenin fark edilmeden dinlenemeyeceği oluşudur. Çünkü veri qubitler vasıtası ile oluşturulup iletilirler. Burada iletişimin herhangi bir anında, bu veri üzerinde bir işlem yapıldığında kuantum mekaniğinin yukarıda açıkladığımız süper pozisyon, ölçüm ve çökme özelliklerinden dolayı istenmeyen dinleyici bu qubitleri ölçmek ve alıcıya iletmek zorundadır. Alıcı verinin değiştiğini doğal olarak anlayacaktır.
Bir bilgisayarın gerçekten yapay olarak zekâ olup olamayacağına dair tartışma yıllardır sürüyor ve büyük ölçüde felsefi argümanlara dayanıyor. Güçlü yapay zekâ, tanımlanamayan bir bilinç kavramına ihtiyaç duyar. Kuantum hesaplama teorisi, bilinç sorununa biraz farklı bir perspektiften bakmamızı sağlar. Ayrıca kuantum mekaniğinin deterministik olmayan özelliği, günümüzün yapay zekâ algoritmalarının ihtiyaç duyduğu olasılığa dayalı hesaplama ve bu karmaşık ve tekrarlı hesaplamalar için gerekli yüksek hesaplama ihtiyaçlarını karşılayacaktır.
Bazıları kuantum hesaplamanın gerçek yapay zekâ sorununu çözmenin anahtarı olabileceğine inanmaktadır, ancak Roger Penrose gibi bazı bilim adamları, bilincin daha özel bir kavram olduğuna inanmaktadır.
KAYNAKÇA:
1) Schumacher, Benjamin (1995-04-01). “Quantum coding”. Physical Review A. American Physical Society (APS). 51 (4): 2738–2747. doi:10.1103/physreva.51.2738. ISSN 1050-2947.
2) D. P. DiVincenzo, “The physical implementation of quantumcomputation,”Fortschritte der Physik, vol. 48, no. 9-11, p.771–783, Sep 2000. [Online]. Available: http://dx.doi.org/10.1002/1521-3978(200009)48:9/11¡771::AID-PROP771¿3.0.CO;2-E
3) Arute, F., Arya, K., Babbush, R. et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature 574, 505–510 (2019). https://doi.org/10.1038/s41586-019-1666-5
