Kuantum Bilgisayar Nedir?

Ne 0 ne de 1, aynı anda ikisi birden olabilir, buna qubit yani kuantum bit diyoruz. Bu yazımda Kuantum Bilgisayar nedir ne işe yarar bunu anlatmaya çalışacağım.

Fakat kuantum bilgisayarın ne olduğunu anlatacağım bu yazıdan önce Kuantum Fiziğinin ne olduğundan bahsettiğim yazının okunması faydalı olacaktır.

Quantum Fiziği Açıklandı : Tıklayınız!

Kuantum Bilgisayarlarda bir partikülün aynı anda iki durumda olabilmesi söz konusudur. Buna süper pozisyon denir. Süper pozisyon ile birlikte Kuantum Bilgisayarlarda kullanılan hesaplama biçimi klasik bilgisayarlarda kullanılan bit’ler yerine qubit’lere dönüşür.

Öncelikle günümüz bilgisayarlarının nasıl çalıştığından bahsedelim. Günümüz bilgisayarları bit temelli çalışır. Bit’ler ikili sayı sistemine dayanan yapıdır. 1 ve 0 lardan oluşur yani var, ya da yok. Günümüz bilgisayarlarında bitlerin kontrolü transistörler ile yapılır. Nanoteknoloji sayesinde küçükcük bir işlemci içerisinde milyonlarca transistör sığdırılabiliyor. Transistörler sayesinde var ve yoklar kapılar ile art arda getiriliyor ve bir sonuca varılıyor.

Qubitlerdeki bu durum kuantum mekaniğindeki süper pozisyona karşılık gelir. Peki bu Qubit neden yapılır? Bir elektron, bir atom veya bir molekülden yapılabilir. Yani doğada bulunan gerçek bir bileşenden.

Sığ tahminler yapılmadan evrendeki en küçük bileşenin bile bilgisayar ile modellenmesi imkansıza yakındır.

Örnek olarak; 10 elektronlu bir molekülde 1000 tane olası durum vardır.

20 elektronlu bir molekül de ise 1 milyona yakın olası durum vardır.

Bir laptop en fazla 26 elektronlu sistemi modelleyebilir. Superbilgisayar ise 43 elektronlu bir sistemi modelleyebilir.

50 elektronlu bir sistemin ise insanlık tarihi boyunca icat edilecek standart bilgisayarlar ile modellenmesi mümkün değildir. Çünkü artarak giden çarpan rakamları çok yukarıya çekiyor.

Aşağıda iki adet molekülün uzunluğu hesaplanmak istenmiş. Deneysel olarak elde edilen değer ile bilgisayarın hesapladığı tutarlar arasında ciddi bir fark var. Yani baya tutarsız. Örnek verilen bu sistemler ise çok kompleks değil.

Gerçek dünyada elektronlar aynı anda birden fazla durumda olabilirler (süper pozisyon). Bu durumu birebir modellemek günümüz bilgisayarları için mümkün olamıyor. Çünkü olasılık çok fazla ve bunların hepsinin tek tek denenmesi gerekiyor.

Yukarıdaki şekilde basit su atomunun medellemesi kolayca yapılabilirken işler biraz karmaşıklaşınca standart bilgisayarda modelleme yapmak sonsuza doğru gidiyor, 10 adet atomun her gözlemlendiğinde farklı bir yerde belirmesi olasılık hesaplarını çıkmaza sokuyor.

Kuantum Bilgisayarlar küçük veri girişleri ile yine basit sonuçlar verebilen ve sonsuz olasılık barındıran işlemlerde çok başarılıdır. Örnek vermek gerekirse karmaşık şifrelerin kırılması. 10 karakterli karmaşık bir şifrenin kırılması süper bilgisayar ile bile aylar sürebilir. Fakat Kuantum Bilgisayarlardaki Qubit mantığı aynı anda birden fazla olasılığı deneyebileceği için 10 Qubit’den oluşan bir Kuantum Bilgisayar çok kısa bir sürede bu şifreyi kırabilir. Aşağıdaki şekilde standart şifre deneme algoritması ve Shor’un Kuantum Bilgisayar için belirlediği formülün şifreleri kırma sürelerini görebilirsiniz. Bilgisayarlar için belirli bir basamak sayısından sonra iş imkansızlaşıyor. Kuantum bilgisayar için ise nerdeyse süre hiç değişmiyor.

Tek bir kısa giriş ve benzer şekilde şifrenin çözülmüş hali ise çıkış. Benzer şekilde bir molekülün şu anki durumu ve bundan 2 gün sonraki durumu arasındaki farkı modellemek isterseniz yine klasik bilgisayarlar biçare kalacaktır. Fakat bu nerdeyse sonsuz olan olasılığı kuantum bilgisayar kolayca hesaplayabilecektir.

Daha iyi anlaşılabilmesi için üçüncü ve son bir örnek vermek istiyorum. İstanbul ile Kars arasındaki en uzun yolu tespit etmek istiyorsunuz. Tali yollar otobanlar patikalar dahil. Normal bir bilgisayar ile bunun hesaplanması neredeyse imkânsız iken kuantum bilgisayar için kolay bir işlem olacaktır. Basit bir giriş(İki ilin adı) ve çıktısı sadece bir rakam(mesafe km cinsinden).

İklim değişikliklerinden yapay zekâ eğitimine, beyin aktivitelerinin kaydedilmesine kadar kuantum bilgisayarların tutarlığı artıracak birçok hesaplama yapması mümkündür.

Şimdi ise olayın pekiştirilmesine vesile olacak bölüme gelelim.

Peki bu kadar kullanışlı bir şey ise neden hala hayatımıza yaygın bir biçimde girmedi? En azından yapay zekanın eğitilmesi veya hastalıkların çaresi için kullanılabilmeli. Bunun sebebi ise Kuantum Bilgisayarın handikapları.

Birincisi Kuantum fiziğinin tabiatı gereği olan belirsizlik. Kuantum fiziğinin açıklandığı yazımda belirttiğim gibi kuantum mekaniklerinde belirsizlik var. Her şey dalgadan ibaret ve bu dalgalar gözlemlenemiyor. Yani gözlemlemek istenildiği anda parçacığa dönüşüyor. Dalgaların boyu ve genişliği tam olarak bilinebilse de parçacığın görüneceği nokta tam olarak tespit edilemiyor. Daha çok dalga kesişimin olduğu noktadan az dalga kesişimi olan noktaya doğru bir olasılıklar silsilesi karşımıza çıkıyor.

Gelelim bunun Kuantum Bilgisayardaki karşılığına, giriş olarak verilen değerler örneğin iki şehir olsun. Çıkışta en uzun rotayı tespit edilmek isteniyor. Kuantum Bilgisayar ilgili fonksiyonu her çalıştırdığında başka bir sonuç dönecektir. Bu fonksiyon birçok kez çalıştırılır ve en çok aynı dönen sonuç çıktı olarak kabul edilir. Kuantum Bilgisayarlarda bu döngü binlerce hatta milyonlarca kez tekrarlansa bile behemehal geleneksel bilgisayarlardan çok daha hızlı olur.

Şu anda Kuantum Bilgisayar ile yazı tura oynanabiliyor ve Kuantum Bilgisayar %98 civarında tutarlılık ile insanı yeniyor. %98 Çünkü ortada hala olasılık söz konusu, bu daha yukarıya çekilebilir. Düşük olasılıklı noktalarda var oluş her zaman mümkün. Bu doğrultuda ilgili fonksiyonlar pozisyonun yerini tayin etmek için zorlama yöntemler kullanıyor fakat %100 olamıyor.

İkincisi ise Kuantum Bilgisayarların çalışır tutulabilmesi konusu. Öncelikle bahsettiğim gibi Qubit ler süper pozisyon mantığı ile çalışıyor. Eğer süper pozisyon ortamı sürekli sağlanamazsa o zaman da Kuantum Bilgisayarın bir esprisi kalmıyor. Süper pozisyonu olumsuz etkileyen birçok konu var, radyasyon, dışarıdan gelen ışık fotonu, kuantum titreşimleri gibi. Ayrıca çok soğuk da bir ortam yaratılması gerekiyor. Bunların hepsini çok özel ortamlarda ve çok yüksek maliyetler ile gerçekleştirilebiliyor. Hala yaygınlaşmak için uygun olmayan bir yapı bu. Ayrıca günümüz teknolojisi ile ne kadar uğraşılır ise uğraşılsın henüz atom altı partiküller sadece belirli bir süre süper pozisyon da tutulabiliyor. Buda yukarıda verdiğimiz örnekteki gibi ancak yazı tura atılacak bir algoritma koşturulabilecek süreye yetiyor. Ancak vakit de olsa algoritmaları geliştirmek için doğru soruları bulmak gerekecek.

Günümüz Kuantum Bilgisayarları iki tipte yapılabiliyor. Birincisi Süperiletken (Superconductor) tipi ki bu -183 derecenin üzerinde bir soğutma gerektiriyor. İkincisi ise sıkma tipi (Spin Type). Bu tip henüz 2017 yılında araştırılmaya başladı ve günümüz bilgisayarları gibi silikon kullanıyor. Silikon içine yerleştirilmiş birkaç nanometre çapındaki atomlar sıkıştırılarak süper pozisyon oluşturuluyor. Maliyeti nispeten düşük olan bu yöntem kuantum bilgisayarların önünü açacak gibi.

Tabi bunlar daha emekleme aşamaları, günümüz işlemcilerinin nereden nereye geldiği gözler önünde yaşandı. İmkânsız denilen birçok konu aşıldı ve aşılmaya devam ediliyor.

Kuantum bilgisayar üzerine araştırmalar IBM – Google ve MIT tarafından tüm hızı ile devam ediyor ve 3-5 yıl içerisinde çok uzun süreler süperpozisyon durumunu koruyabilecek kuantum bilgisayarların hayatımıza gireceği konuşuluyor. Daha sonra ise dünya üzerindeki bütün şifreleme sistemleri yalan, bitcoin çöp(blokchain Kuantum Bilgisayarın sadace küçük bir oyuncağı olacak), kansere elveda, tabi ilaç şirketlerinin işine gelmez ise o konuyu bilemem 😊Çok ütopik geldi ise, tekrar düşünün. Çünkü şu anda Google ve IBM’de çalışan birer Kuantum Bilgisayar var ve bu dediklerimizin küçük ölçekli olanlarını zaten yapıyorlar, yani kısa şiflerin çözümü, yazı tura tahmini, basit moleküllerin bir sonraki durumlarının tahmin gibi.

Görüşmek üzere!