Kuantum Bilgisayarı Nedir? Ne İşe Yarar?

Geçtiğimiz onca yılda Kuantum bilgisayarları doğrultusunda muazzam bir ilerleme olmuştur. Önümüzdeki yıllarda Kuantum bilgisayarlar içinde bulunduğumuz dünyayı daha da geliştirip değişmesinde çok büyük rol oynayacak. Kuantum bilgisayarı bize normal bilgisayarlardan çok daha fazlasını vaat ediyor. Kuantum bilgisayarlarının hızını anlayabilmek için öncelikle biraz tarihte yolculuk etmemiz gerekir. Bunun için de çok uzağa değil, 1960’lı yılların sonunda Neil Armstrong’un insanlık için çok büyük bir adım attığı dönemdeki bilgisayarlara bakmak yeterlidir. Apollo 11 uzay aracının bilgisayarı olan AGC, 80 kilobayt hafızaya ve saniyede 40.000 işlem yapabilme özelliğine sahipti. Günümüzün en kötü cep telefonu bile bu özelliklerin çok daha üstünde performans sergiliyor.

Her geçen yıl daha da hızlı işlem yapabilme yeteneğine sahip bilgisayarlar geliştiriliyor. Kuantum bilgisayarı çok yeni bir teknoloji gibi görünse de aslında ilk kez 1981 yılında Paul Benioff tarafından bu fikir ortaya atılmıştır. Kuantum fiziğindeki gelişmeler sayesinde de gün geçtikçe yaygınlaşan ve sınırları gittikçe genişleyen çok güçlü bilgisayarlara sahip olduk.

Aslına bakılırsa 15-20 yıl öncesinde insanların alamadığı ve sadece özel şirketler tarafından ya da uzay araştırmalarına yardımcı olmak için tasarlanan bilgisayarlar şu anda hepimizin evinde bulunuyor. Bakış açımızı bu şekilde Kuantum bilgisayarlarına da çevirirsek 10 sene sonra belki de çok yaygın kullanacağımız bir bilgisayar olarak görebiliriz.

Kuantum Bilgisayarı Çalışma Anlayışı

Kuantum bilgisayarı anlayabilmek için şu an çoğumuzun kullandığı bilgisayarların yapısını anlamak gerekir. Bilgisayarlar çipleri, çipler de modülleri içerir. Bu modüller, mantık kapılarını (logic gates) ve mantık kapıları da transistörleri içerir. Transistörler bilgi işlemcisinin en basit parçasıdır. Gelen bilginin yolunu açıp kapatan bir anahtar görevi görür. Bu bilgi 0 ve 1 değerlerini baz alarak değerlendirir. Yani anahtar ya açıktır ya da kapalı.

Kuantum bilgisayarları ise kuantum bitlerinin kısaca adlandırılması olan kubitler (qubit) ile oluşuyor. Atomda yer alan elektronların özelliklerinden biri olan spin yani dönü özelliği kubitlere anlam kazandırıyor. Manyetik alanlar içerisinde kalan elektron, manyetik alanının yönüne göre “spin up” ya da “spin down” durumu oluşturuyor.

Bu durum da normal bilgisayarlarda devrenin açık ya da kapalı olarak oluşturduğu 1 ve 0 durumu gibidir. Klasik bilgisayarlarda kesin bir şekilde belli olan devrenin açık-kapalı olma durumu, kuantum bilgisayarları için bu kadar net bir şekilde ifade edilmez. Kuantum dünyasında, kubit 1 ya da 0 olmak zorunda değildir aynı anda iki durumda da olabilir. Buna “üst üste binme” ya da süper pozisyon denir.

Sadece, kubiti bir filtreden geçirip teste tabi tuttuğumuz zaman onun karakterini yani bilginin değerini öğrenebiliriz. Yani kubit testten geçmedikçe ya da gözlem yapmadığımız sürece bilmediğimiz bir değere sahiptir. Bu yaşamımızda tecrübe edemeyeceğimiz bir olaydır. Schrödinger’in kedi paradoksu ya da Heisenberg’in belirsizlik ilkesi de bu durumu açıklamaya çalışır.

Kubit ve Bit Farkı Nedir?

Kubitlerin belirsizliği kuantum işlemciye çok daha hızlı çalışma kabiliyeti vermiş oluyor. Hesaplama gücünün önemli ölçüde artması için kuantum bilgisayarlara ihtiyaç vardır.

Normal bilgisayarlar bit olarak 0 ya da 1 değerlerini kullanır fakat kuantum bilgisayarlar bit olarak kubitleri kullanır. Bu da demek oluyor ki bu değerler aynı anda hem 1 olabilir hem de 0 olabilir. Bu nedenle kubitler için aynı anda tüm sayılardır diyebiliriz yani bize eş zamanlı olarak hem doğru hem de yanlış cevabı verir.

4 klasik bit aynı anda 2⁴ yani 16 farklı durumda bulunabilir,

0000	0001	0010	0100
1000	0011	0110	0111
1001	1010	1011	1100
1101	1110	0101	1111

 fakat yalnızca bunlardan birisini kullanabiliriz.

Süper pozisyon halinde olan dört kübit aynı anda tüm durumları kullanabilir. Yani 4 kübit için de iki üzeri dört durum vardır ama kullanım şekilleri farklıdır diyebiliriz. Bu sayı her kübit için üslü şekilde artar. Kübitlerin diğer özelliklerinden birisi de dolanıklıktır. Kuantum fiziği terimi olan dolanıklık, kübitler arasında hiçbir bağ olmadan ya da birbirinden ne kadar uzakta olursa olsun birisinin durumuna diğerinin de tepki göstermesi demektir. Kübitlerin dolanıklık özelliğinden nasıl yararlandığımız konusuna gelirsek şöyle diyebiliriz: iki eş kübiti tek tek test etmektense tek birisinin değerinin ne olduğunu bularak diğerini de belirlemiş oluruz. Bu dolanıklık özelliği sayesinde gerçekleşir.

Kuantum Bilgisayarının Normal Bilgisayardan Farkı Nedir?

Eğer doğru değere ulaşmak istiyorsak kuantum bilgisayarlar için “grover operator” adı verilen bir teknik bulunuyor. Bu teknik tüm yanlış cevapları yok ederek gerisinde bize yalnızca doğru cevabı bırakır. Kuantum işlemenin en büyük yararlarından biri de budur. Normal bilgisayarlar gibi her bir değeri tek tek denemek yerine Kuantum bilgisayarlar bu işlemi aynı anda gerçekleştiriyor. Bu nedenle normal bilgisayarlarda yüksek güvenlik şifrelemeleri belki de milyonlarca yıl sürebilir. Kuantum bilgisayarlarda grover operatörünün tüm yanlış cevapları yok etmesi yardımıyla bu yalnızca saniyelerinizi alır.

İki bilgisayar arasında başka bir karşılaştırma yapmak için haritalardaki iki nokta arasındaki mesafeyi hesaplama örneğini kullanabiliriz. Google Maps iki nokta arasındaki en iyi rotayı size çizmesi için farklı kombinasyonları değerlendiriyor ve bu da çok fazla bilgi gerektirir. Kuantum bilgisayarlar ise iki nokta arasındaki her yolu aynı anda deneyip en iyisini seçip bize sunar.

Ya da sürücüsüz arabaları (self-driving cars) düşündüğümüzde kazaları önlemek, tehlikleri ortadan kaldırmak ya da ışıkların ne zaman yeşil ne zaman kırmızı yanacağını belirlemek ve mümkün olan en iyi rotayı çizmek için tek çözüm: Kuantum bilgisayarları. Normal bilgisayarlar bunları asla yapamaz.

Kısaca diyebiliriz ki kuantum bilgisayarlar mümkün olan her programı, her yolu ve her kombinasyonu dener. İçinden en iyisi ve doğrusu neyse o sonucu bizlere sunar.

Kuantum bilgisayarlarının çok daha hızlı olduğu konulardan birisi de veritabanı aramasıdır. Normal bir bilgisayar, verilerin her birini tek tek test etmek zorundadır. Kuantum bilgisayarlarında ise verilerin karekökü kadar deneme ile sonuca ulaşılabilir. Büyük veri bankaları için oldukça zahmetli bir işi çok kolay hale getirebilir. Ayrıca şifrelenmiş herhangi bir dosyanın ya da hesabın şifrelerini de aynı şekilde çok daha kolay ve hızlı şekilde çözebilir.

Kuantum bilgisayarlarının geleceği ile ilgili, gün geçtikçe daha yeni teknolojiler ve gelişimler gerçekleşiyor. Normal bilgisayarlardan çok daha fazlasını gerçekleştireceği bilinen bu bilgisayarlar geleceğimizi daha farklı bir boyuta taşıyacak.