Kuantum Bilgisayarlar

Teknoloji ve Bilişim dünyasında Kuantum bilgisayarlar geliyor. Kuantum bilgisayarlarhakkında birçok haber ve bir takım temel kavramları öğrendik. Kuantum Bilgisayar kullanmaya hazır mısınız?

Tarihimizin çoğunda, insan teknolojisi beyinlerimizden, ateşten ve mızraklardan meydana geldi. Ateş ve mızraklar, enerji santralleri ve nükleer silahlara dönüşürken en büyük gelişme beynimize oldu. 1960’lardan beri, beyin makinelerimizin güçleri üslü şekilde büyümeye devam ederek bilgisayarların aynı anda hem daha küçük hem de daha hızlı olmalarını sağladı. Ama bu işlem fiziksel sınırlarına ulaşmak üzere.

Bilgisayar parçaları bir atomun boyutuna yaklaşıyor.

Gelin önce bazı temel kavramlara bakalım. Bir bilgisayar çok basit şeyleri yapan çok basit parçalardan oluşmuştur. Bu parçalar bilgiyi sunar, işler ve mekanizmaları kontrol eder. Bilgisayar çipleri modüller içerir, bu modüller mantık kapılarını ve mantık kapıları da transistörleri içerir. Bir transistör bilgisayarlardaki bilgi işlemcisinin en basit formudur. Temel olarak, gelen bilginin yolunu açıp kapatabilen bir anahtar işlevi görür. Bu bilgi “sıfır” veya “bir” olarak ayarlanabilen “bit”lerden oluşur. Bitlerin kombinasyonları da daha karmaşık bilgileri temsil etmede kullanılır.

Transistörler, basit şeyler yapan mantık kapıları oluşturmak için bir araya gelirler. Örneğin, bir “VE” kapısının tüm girişleri bir ise çıktısı bir olur,ve tam tersi durumunda sıfır olur. Mantık geçitlerinin birleşimleri nihayet anlamlı modüller meydana getirir, örneğin, iki sayıyı toplamak için. Toplamaya yapabildiğinizde çarpma da yapabilirsiniz, ve çarpmaya yapabildiğinizde de esasen her şeyi yapabilirsiniz.

Tüm temel işlemler tam anlamıyla birinci sınıf matematiğinden daha basit olduğu için, bir bilgisayarı çok basit matematik soruları cevaplayan bir grup yedi yaşındaki çocuk olarak hayal edebilirsiniz. Yeterince büyük bir grubu astrofizikten Zelda’ya her şeyi hesaplayabilir.

Ancak, parçalar sürekli küçüldükçe kuantum fiziği olayı zorlaştırır.
Özetle, bir transistör sadece bir elektrik düğmesidir. Elektrik elektronların bir yerden başka bir yere hareket etmesidir, böylece düğme elektronların tek yönde hareket etmesini engelleyebilen bir geçittir.

Bugün, transistörlerin tipik boyutu 14 nanometredir, bu da HIV Virüsünün çapından sekiz kat ve de bir beyaz kan hücresinden 500 kat daha küçüktür. Transistörler birkaç atom boyutuna küçüldükçe elektronlar kendilerini engellenmiş bir yolun diğer tarafına kuantum tünelleme denilen bir yöntemle transfer edebilir.

Kuantum dünyasında, fizik alıştığımız tahmin edilebilir şekillerden farklı işler ve geleneksel bilgisayarlar artık mantıklı gelmez.

Teknolojik ilerlememizin önündeki gerçek bir fiziksel duvara yaklaşıyoruz.
Bu sorunu çözmek için, bilim insanları kuantum bilgisayarları inşa ederek bu olağandışı kuantum özelliklerini kendi lehlerine çevirmeyi deniyorlar. Normal bilgisayarlarda bitler bilginin en küçük birimidir. Kuantum bilgisayarları iki değerden birine ayarlanabilen kübitler kullanır. Bir kübit herhangi bir iki düzeyli kuantum sistemi olabilir, manyetik alandaki bir dönüş veya bir foton gibi. Fotonun yatay veya düşey polarizasyonu gibi, sıfır ve bir bu sistemin muhtemel durumlarıdır. Kuantum dünyasında, kübit bunlardan sadece biri olmak zorunda değildir, aynı anda iki durumdan da bir miktar olabilir. Buna süperpozisyon denmektedir. Ancak siz değerini, mesela fotonu bir filtreden geçirerek test ettikten sonra fotonun yatay veya düşey polarizasyondan birini seçmesi gerekir. İzlenmediği sürece kübit sıfır ve bir ihtimallerininden oluşan bir süperpozisyonun içindedir ve hangisi olacağını tahmin edemezsiniz. Ama ölçtüğünüz anda iki belirli durumdan birine geçer. Süperpozisyon burada bir oyun değiştiricidir. Dört klasik bit tek seferde iki üzeri dört farklı durumun birinde bulunabilir. Bu 16 muhtemel kombinasyon eder, bunlardan tek seferde birini kullanabilirsiniz. Ancak süperpozisyon halindeki dört kübit, aynı anda bu 16 kombinasyonun hepsinde bulunabilir! Bu sayı eklenen her kübit için üslü şekilde artar. Yirmi tanesi aynı anda bir milyon değer saklayabilir.

Kübitlerin sezgisel olmayan gerçekten tuhaf başka bir özelliği de dolanık olmalarıdır; bu kübitlerin ne kadar uzakta olursa olsun herhangi birinin aynı anda diğerinin durumuna da tepki göstermesini sağlayan yakın bir bağlantıdır. Bunun anlamı tek bir dolanık kübiti ölçtüğünüzde eşlerine bakmadan bu kübitin özelliklerini direkt bir şekilde anlayabilirsiniz.

Kübit manipülasyonu da kafa karıştırıcı bir şeydir. Normal bir mantık kapısı girişlerin basit bir kümesini alır ve tek bir belirli sonuç çıkarır.
Bir kuantum kapısı süperpozisyonların girişini yönlendirir, ihtimalleri dolanır ve sonuç olarak başka bir süperpozisyon çıkarır. Yani bir kuantum bilgisayarı birkaç kübit ayarlar, ihtimalleri yönlendirmek ve onları dolanık hale getirmek için geçitleri uygular ve sonra süperpozisyonları sıfır ve birlere çevirerek nihayet sonucu çıkarır.

Bunun anlamı var olan sisteminizle hepsi aynı anda yapılan bir sürü hesap alırsınız. Sonunda çıkan tüm sonuçların sadece birini ölçebilirsiniz ve bu sadece muhtemelen istediğiniz sonuçtur, yani sağlamasını alıp tekrar denemeniz gerekebilir.

Ama süperpozisyon ve dolanıklığın ince noktalarını zekice açığa vurarak bu olay normal bir bilgisayarda yapılabileceğinden katbekat daha etkili yapabilir. Kuantum bilgisayarları muhtemelen evimizdeki bilgisayarların yerini alamayacak fakat bazı alanlarda oldukça üstünlük sağlamaktadır.

Bunlardan biri veritabanı aramasıdır. Bir veritabanında birşeyi bulabilmek için, normal bir bilgisayar verilerin her birini teker teker test etmek zorunda kalabilir. Kuantum algoritmaları bu zamanın sadece kareköküne ihtiyaç duyarlar ve büyük veribankaları için bu çok büyük bir fark eder.

Kuantum bilgisayarlarının en meşhur kullanım alanı BT güvenliğini mahvetmektir. Şu anda, tarama, e-posta ve bankacılık bilgileriniz herkese verdiğiniz açık bir anahtarla sadece sizin çözebileceğiniz mesajları oluşturan bir şifreleme yöntemi sayesinde korunmaktadır. Sorun bu açık anahtar aslında sizin özel anahtarınızı hesaplamak için kullanılabilir. Ne şanslı ki bunu normal bir bilgisayarda yapmak tam anlamıyla deneme ve yanılmayla geçen yıllar sürer. Ancak üslü hızlarda çalışan bir kuantum bilgisayarında bunu kolaylıkla yapabilirsiniz.

Diğer bir heyecan verici yeni kullanım alanı ise simülasyonlardır. Kuantum dünyalarının simülasyonları çok fazla sistem gücüne gereksinim duyar ve moleküller gibi çok daha büyük yapılarda sıkça kesinlikten noksandırlar.

O zaman neden kuantum fiziğini gerçek kuantum fiziğiyle simüle etmeyelim?

Kuantum simülasyonları proteinlerle ilgili ilaçlarda devrim yapmamızı sağlayacak bilgiler kazanmamızı sağlayabilir. Şu anda kuantum bilgisayarlarının sadece özel alanlarda çalışan bir araç mı yoksa insanlık için büyük bir devrim mi olacağını bilemiyoruz. Sınırların nerede olduğuyla ilgili hiçbir fikrimiz yok, ve bulmanın sadece tek yolu var!