Türkiye'nin en güncel forumlardan olan forumdas.com.tr'de forumda aktif ve katkısı olabilecek kişilerden gönüllü katkıda sağlayabilecek kişiler aranmaktadır.
Bilgisayar dünyasında yıllar boyunca bir konu üzerine hep tartışmalar, olaylar, beyin fırtınaları döndü: Kuantum hesaplama mümkün mü, değil mi? Mümkünse nasıl çalışacak, ne için kullanılacak?
Bu sene, ilk transistör bazlı işlemci olan Intel 4004’ün çıkışının 50. yıl dönümü. Moore yasası ve Dennard’ın ölçeklendirme fikriyle bugüne kadar gelen bilgisayarlarımız artık geçmiş yıllardaki gibi hızlı gelişim gösteremez hale geldi. Her ne kadar cep telefonlarımız bile eskinin süper bilgisayarlarına kıyasla çok daha güçlü işlemcilere sahip olsa da bilgisayar dünyası için artık geleneksel işlemciler yetersiz kalmaya başladı. Çözüm ise kuantum bilgisayarlar.
Halihazırdaki gelişmişlik düzeyine gelene kadar geçtiğimiz on yıllarda, en parlak mühendisler birtakım hesaplamalar yaptılar. Transistörler geliştirdiler, elektronlara kadar inip derin bilimsel ve fiziksel araştırmalarla uğraştılar. En sonunda algoritmalar, derleyiciler, mikro işlemciler, mantık kapıları ve bunların da temelinde çalışması için 0’lar ve 1’lerden oluşan bir ekosistem geliştirdiler.
Bugün günümüz bilgi sistemlerinde her şey 0 ve 1’lerden oluşan mantık ilkesine dayanıyor. İzlediğiniz film, yazdığınız yazı, oynadığınız oyun ve dahası. Peki ya bilgisayar dünyası artık son raddeye mi geldi, daha ilerisi yok mu halihazırdaki teknolojilerin?
Şüphesiz ki var. IBM, Google, Intel, Microsoft ve diğer birçok teknoloji devi sadece bu iş için kurmuş olduğu laboratuvarlara milyarlarca dolar yatırım yaparak özel kuantum bilgi işlemciler geliştirmeye çalışıyor. Devletler de çağı yakalayabilmek için sürekli yatırımlar yapıyor, zira bilgisayarların geleceği bu.
Her yeni prototiple beraber biraz daha geliştirilen bu makinelerdeki kuantum bitlerinin yani kübitlerin sayısı da gitgide artıyor. Başarıya ulaşıldığı takdirde günümüz sistemlerinin yıllar boyu yapamayacağı inanılmaz işleri yapan kuantum bilgisayarlara sahip olmamız an meselesi gibi gözüküyor. Peki buna ne kadar yakınız?
Maalesef ki kuantum hesaplamanın önünde kat edilmesi gereken çok yol var. Şu ana kadar geliştirilebilen kuantum makineleri günümüz bilgisayarlarının transistör öncesi vakum tüplü zamanına denk yeterlilikteler.
Araştırmacılara göre kuantum fiziği kullanılarak geliştirilen bu işlemciler NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) adı verilen bir dönemde günümüz bilgisayarlarına kıyasla hesaplama üstünlüğüne sahip olacaklar. Geliştirme sürecinde bu yapının hatalara oldukça açık tasarlandığı da kuantum bilgisayarlar hakkında yazılar okumayı sevenler tarafından bilinen bir şey.
Sanılanın aksine kuantum bilgisayarlar günümüz sistemlerinin yerini tamamen almayacak. Daha çok ek bir hızlandırıcı gibi, yardımcı bileşen olarak kullanılacak. Örneğin ekran kartlarının normal CPU’lara kıyasla işlenmesi zor görüntüleri kolayca çizmesi gibi. Bu amaçla geliştirilmesi planlanan kuantum hızlandırıcılı işlemcilere ise QPU yani “Kuantum İşlem Birimi” deniliyor. QPU birimleri de normal CPU’lar tarafından ayrı bir donanım gibi kontrol ediliyor. Yani işlemciler ve kuantum işlemciler birlikte çalışacak.
Bilgisayarlarda kullanılması planlanan kuantum çalışma yapısı klasik olarak verinin ön veya son işlemden geçirilmesine yarayacak, o kadar. Tamamen saf bir biçimde kuantum işlemcilerin kullanılması en azından şimdilik pek mümkün gözükmüyor.
Bu süreçte yapılmak istenen ise elektronların bilinen özelliklerini kullanmak yerine kuantum fiziğinin nimetlerinden çok hızlı hesaplamalar yapabilmek için faydalanmak. Günümüz bilimsel araştırmalarında kullanılan süper bilgisayarlar bile artık bir noktada yetersiz hale geldiğinden, kuantum bilgisayarlar başarılı olursa birçok başka bilimsel araştırmanın ve buluşun kapısının açılacağını söyleyebiliriz.
Aslında kuantumun ne olduğu ve mümkün olup olmadığı sadece günümüzde değil, yüzyıllar önce geçmişte de bilim adamlarında tartışılıyordu. Niels Bohr, Einstein ve daha nice fizikçi bunun üstünde kafa yorup münazaralarda birbirlerine açıklamalar yapıyorlardı. Gelin biraz geçmişe gidelim ve kuantumun yaygınlaşması ve zorluklar hakkında ortaya atılan teorileri irdelemeye başlayalım.
Kuantum bilgisayarlar, verileri depolamak ve hesaplamalar yapmak için kuantum fiziğinin özelliklerini kullanan makinelerdir. Bu, en iyi süper bilgisayarlarımızdan bile çok daha iyi performans gösterebilecekleri belirli görevler için son derece avantajlı olabilir.
Akıllı telefonları ve dizüstü bilgisayarları kapsayan klasik bilgisayarlar, bilgileri 0’lar veya 1’ler olabilen ikili “bitler” olarak kodlar. Kuantum bilgisayarda ise belleğin temel birimi bir kuantum biti veya kübittir.
Kübitler, bir elektronun dönüşü veya bir fotonun yönü gibi fiziksel sistemler kullanılarak yapılır. Bu sistemler, aynı anda birçok farklı düzenlemede olabilir; bu, kuantum süperpozisyonu olarak bilinen bir özelliktir. Kübitler ayrıca kuantum dolaşıklık adı verilen bir fenomen kullanılarak ayrılmaz bir şekilde birbirine bağlanabilir. Sonuç olarak, bir dizi kübit aynı anda farklı şeyleri temsil edebilir.
Örneğin, klasik bir bilgisayarın 0 ile 255 arasındaki herhangi bir sayıyı temsil etmesi için sekiz bit yeterlidir. Ancak bir kuantum bilgisayarının aynı anda 0 ile 255 arasındaki her sayıyı temsil etmesi için sekiz kübit yeterlidir. Birkaç yüz dolaşık kübit, evrendeki atomlardan daha fazla sayıyı temsil etmek için yeterli olacaktır.
Kuantum bilgisayarların klasik olanlardan üstün olduğu yer burasıdır. Çok sayıda olası kombinasyonun olduğu durumlarda, kuantum bilgisayarlar bunları aynı anda değerlendirebilir. Örnekler, çok büyük bir sayının asal çarpanlarını veya iki yer arasındaki en iyi yolu bulmaya çalışmayı içerir.
Bununla birlikte, klasik bilgisayarların hala kuantum bilgisayarlardan daha iyi performans göstereceği birçok durum olabilir. Dolayısıyla geleceğin bilgisayarları bu iki türün bir kombinasyonu olacak.
Şimdilik kuantum bilgisayarlar oldukça hassas: ısı, elektromanyetik alanlar ve hava molekülleriyle çarpışmalar bir kübitin kuantum özelliklerini kaybetmesine neden olabiliyor. Kuantum decoherence olarak bilinen bu süreç, sistemin çökmesine neden oluyor ve ne kadar çok parçacık varsa olay o kadar hızlı gerçekleşiyor.
Belçika’nın Brüksel kentinde 1927 yılında şehirde oldukça farklı bir hava hakimdi. Solvay Konferansı adı verilen bir toplantıda o dönemin en iyi fizikçileri bir araya gelmiş, hep beraber hararetle farklı bir konuyu tartışmaya başlamışlardı. Bu konferansa katılan 27 fizikçinin 17’si Nobel ödülü kazanmıştı.
Konferans genel itibariyle iki büyük insanın attığı fikirler hakkında yapılan bilimsel tartışmalar üzerinde dönüyordu: Niels Bohr’un kuantum teorisi ve Albert Einstein’ın onu çürütmek için söyledikleri.
Yaklaşık 1 hafta süren bu konferans boyunca Einstein oldukça kararlıydı, kuantumun kusurları hakkında yapmış olduğu araştırmalarla Bohr’u zora sokmayı planlıyordu. Bohr ve onun fikrini destekleyen diğer bilim insanları ise akla gelebilecek her türlü zorluğu hesaba katarak Einstein’ın söylediklerini çürütmeye çalışacaklardı. Fizikçiler bu büyük münazarayı kazanabilmek için her ihtimali hesaplıyor, üzerinde çalışmalar yapıyorlardı. Bohr bir keresinde Einstein’ı çürütmek için onun geliştirmiş olduğu Görelilik Kuramı’nı bile karşı argüman olarak kullanmıştı.
Konferansın neticesinde ise Bohr ve onu destekleyen fizikçiler Einstein tarafından ortaya atılan bütün iddialara yanıt vermiş ve münazarayı kazanmış sayılıyordu.
Einstein halen kuantum teorisinde bazı hataların olduğunu düşünüyor, bunu ispatlamak için canla başla çabalıyordu. Takvimler 1933 yılını gösterdiğinde Princeton’a yerleşen bilim insanı, kuantumun potansiyel kusurlarını bulabilmek amacıyla Boris Podolsky ve Nathan Rosen ile çalışmaya başladı. Beraber yaptıkları uzun süreli çalışmalar neticesinde kuantum fiziğinde bir bilinmezlik ortaya çıkardılar. EPR (Einstein-Podolsky-Rosen) paradoksu adı verilen bu kuramda, parçacıklar arasında imkansız denilebilecek cinsten bir bağlantı keşfedildi. Birkaç parçacığın gerçek dünyada eşleşen davranışlar sergileyebileceğini buldular.
EPR paradoksunu örnekleyecek olursak, her biri birer metre aralıkla ayrı ayrı kapların altında bulunan iki parçacık düşünün. Matematiksel olarak bu kapların birinin altında bulunan parçacığın bulunup, bakılması diğer kabın da altındaki parçacığın eşleşen yapılara sahip olduğunu ortaya çıkaracaktı. Einsten buna kendi değimiyle “uzaklıkta ürkütücü eylem” diyecekti. EPR paradoksu Einstein’in en çok araştırılan çalışmalarından biriydi ve birçok fizikçi bu paradoksu çözüp bilimezlikten kurtarmak için çalışmıştı. Acaba Eintesin’ın iddiası mı doğruydu yoksa Bohr’un teorisi mi?
Kuantum mekaniğindeki bu devasa çarpıklığa rağmen günümüzde teorinin başarılı olduğunu görüyoruz. 1940 yılında lazerlerin keşfi ve paralel eksende günümüz işlemcilerin temelinde yatan transistörlerin geliştirilmesi kuantum teorisinin kafadan “doğru” olduğu varsayılarak gerçekleştirildi. 1960 yıllarına kadar bu karışıklığa gerçekten bir cevap bulunamamıştı.
Peki ya kuantum bilgi işlemin üstünlüğünü daha da etkili değerlendirebilmek için Shor algoritması ile Grover’i birleştirsek ne olur diye hiç düşündünüz mü? N bitlik bir parolayı (n burada herhangi bir sayıyı ifade eder) kırmak istediğimizi düşünelim. Klasik bilgisayarların bu şifreyi kırabilmesi için parolanın bütün olası kombinasyonları denemesi gerekir. Yani herkesin bildiği kaba kuvvet saldırısı yapılır. Eğer N-kübitlik bir kuantum sistem kullanıyorsak teorik anlamda bütün kombinasyonları aynı anda bilgisayarımızla keşfedebiliriz. Bu süperpozisyonun yardımıyla gerçekleşir.
Daha sonrasında ise bulduğumuz bütün bu kombinasyonları elemek ve doğru olanı ayırt etmek için Grover algoritmasını kullanabiliriz. Hangi bit dizesinin şifreyi kıracağı böylece çok yüksek bir olasılıkla bulumuş olunur.
Tabi şunu da unutmamak gerekir ki kuantum bilgisayarların tek amacı kriptografik yapıları bozulmaya uğratmak, şifreleri kırmak değildir. Kuantum bilgisayarlar yardımıyla aynı zamanda günümüzdekinden çok daha güçlü şifreleme altyapıları da oluşturabiliriz. Bir kuantum sisteminde başkaları tarafından izlenip izlenmediğimizi anlamak amacıyla dolaşıklık özelliğinden faydalanabiliriz en basitinden. Dolanık kuantum parçacıkları mantıken aynı davranışı sergilemesi gereken yapılar olduğu için verinin başkalarınca yakalanması aktarımın yapıldığı parçacıkların özelliğinin değişmesine neden olur. Bu tarz teknolojiler altyapı güvenliğini daha iyi hale getirmek için günümüzde daha farklı şekillerde uygulansa da kuantum gibi olmuyor. Kuantum bazlı internetin ne kadar güvenli olabileceğini hayal edin.
Fakat, biraz üzücü olacak ama kuantumu bu şekilde kullanıp çeşitli algoritmalardan faydalanabilmemiz için yüzlerce kararlı kübite ihtiyacımız var, bu da on yıllar boyunca daha çalışmamız gerektiği anlamına geliyor. Bilim adamları ve fizikçiler bu karmaşık sistem içerisinde kuantumun üstünlüğünü gösterebilecek, uzun vadeli olmayan NISQ yapılarla daha çok ilgileniyor. VQE (Variational Quantum Eigensolvers) ve QAOA (Quantum Approximate Optimization Algorithm) gibi yapılar ise kuantum hesaplamaların yakın zaman içerisinde potansiyelini kullanabilmek amacıyla geliştiriliyor.
Peki bize kuantumun şimdilik faydası ne? Aslında halen klasik bilgisayar çağındayken kuantum algoritmalarına yönelik araştırma yaparak halihazırda kullanmış olduğumuz algoritmaların daha gelişmişini keşfedebiliyoruz. Böylece kuantum işlemciler tasarlanana kadar yan teknoloji aktarımıyla daha farklı alanlarda bilimsel anlamda başarılar elde edilebiliyor.
Kaynak
