Kuantum Bilgisayar Nedir? Verilerimizi Artık Kuantumda Mı Saklayacağız?

Her alanda bilim ve teknolojinin baş döndürücü bir hızla geliştiği günümüzde, hayatımızı kolaylaştıracak yeni gelişmeleri takip etmek ve adapte olmak gerçekten ciddi meziyet gerektiriyor. Gelişen teknolojiyle birlikte hayatımıza yeni kavramlar girmeye devam ediyor. Bu kavramlardan biri de “Kuantum Bilgisayar”.  Kulağa oldukça esrarengiz ve ilgi çekici gelen bu kavramla ilgili merak ettiklerinizi bu yazımızda sizin için derledik.

Kuantum Bilgisayar nedir?

Kuantum bilgisayarlar, verileri depolamak ve hesaplamalar yapmak için kuantum fiziğinin özelliklerini kullanan makinelerdir. Maddeyi ve enerjiyi atom ve atom altı seviyede açıklamaya çalışan kuantum fiziği temel ilkeleri üzerinde geliştirilmektedir. Elektron, proton gibi temel parçacıkların davranışlarını kontrol ederek işlem görür. Hayal edilemeyecek sayıda işlemi mümkün olan en kısa sürede gerçekleştiren kuantum bilgisayarlar bu bakımdan en iyi süper bilgisayarlarıdan bile çok daha yüksek işlem gücü ve performansa sahiptirler.

Kuantum hesaplama, fizikçi Paul Benioff’un Turing makinesinin kuantum mekaniksel bir modelini önerdiği 1980’lerin başında başladı. Fizikçi Richard Feynman ve matematikçi Yuri Manin daha sonra klasik bir bilgisayarda kuantum sistemlerini simüle etmenin imkansız olduğunu kanıtladı ve ancak bir kuantum bilgisayarın klasik bir bilgisayarın yapamayacağı şeyleri simüle etme potansiyeline sahip olduğunu öne sürerek, kuantum bilgisayar fikrinin öncüleri oldular.

Kuantum Bilgisayarı nasıl çalışır?

Çalışma mantığını klasik bilgisayarlar üzerinden kıyas yaparak açıklamaya çalışalım. Klasik bilgisayarlar (akıllı telefon, dizüstü ve masaüstü bilgisayarlar vb.) işlemlerini ikili sayı sistemi dediğimiz 0 ve 1 değerlerini baz alabilen “Bit” ler (Binary digit) yardımıyla yaparlar. Bu sistem bir devre üzerindeki elektrik akımının bir anahtar yardımıyla açılıp kapanması esasına dayalıdır. Anahtarın açık olması durumu 0, kapalı olması durumu 1 şeklinde kullanılarak ifade edilir. Sekiz tane 1 ve 0’ın bir araya gelmesi ile bir “Byte” oluşur. 1024 Byte ile 1 Kilo Byte (KB), 1024 KB ile 1 Mega Byte (MB) oluşur. Bilgisayarda yapılan tüm işlemler, en sonunda 0 ve 1’ lere dönüştürülerek gerçekleştirilir.

Kuantum hesaplamada ise, temel bellek birimi olarak “Bit” kavramı yerine “Qubit” (Quantum-bit) kullanılmaktadır. İkili kod sistemiyle çalışan klasik bir bilgisayarda bir bit yalnızca 1 veya 0 olabilirken, bir kuantum bilgisayarda qubit, bu 1 ve 0’ların aynı anda çok farklı kombinasyonlarından oluşabilir. Bu durum “süperpozisyon” ile ifade edilmektedir.

Bloch Küresi – Bir qubit’in gösterimi (Üç boyutlu bir küredeki herhangi bir nokta, kubitin durumunu göstermektedir.)

Süperpozisyon (üst üste binme ilkesi), kuantum fiziğinde iki ayrı durumun bir parçacık için aynı anda geçerli olması halidir. Hem 1 hem 0 olma hali de diyebiliriz. Bu durumu madde ve enerjinin aynı anda hem dalga hem de parçacık özellikleri sergileyebileceğini gösteren çift yarık deneyinden de (young deneyi) hatırlayabiliriz. Schrödinger‘in Kedi deneyi de Heisenberg’in Belirsizlik Yasası da bu süperpozisyon durumunu açıklamaya çalışır.

Qubitler, eş zamanlı olarak hem 0 hem de 1 değeri alabildiği (aynı anda her iki durumda olabildiği) için çok fazla olasılığa izin verirler. Yani 1’ler ve 0’lar ya da 0’lar ve 1’ler bilgiyi eş zamanlı temsil edebilirler. Bu olasılıklar sayesinde kuantum makineler bir hesaplamadaki tüm olasılıkları tek seferde hesaplayarak, klasik bilgisayarlardan çok daha hızlı işlem yapabilirler. Kuantum bilgisayarda işlemler, klasik bilgisayarların aksine sıraya konulmak yerine aynı anda yapılır.

Kısaca, kuantum bilgisayarlar elektrik akımına göre değil, elektron ve proton gibi atom altı parçacıkların fiziksel özelliklerine dayanan bir sistemle çalışır. Bu sayede klasik bilgisayarlara göre atom altı seviyede çok daha küçük bir alandan çok daha büyük bir hızla çalışabilirler. Kuantum bilgisayarlar son derece hassas yapıya sahiptirler, bu nedenle özel tasarım gerektirirler.

Kuantumda Veri Saklama

Klasik bilgisayarlarda veriler, harddiskte 1 ve 0’lar olarak bildiğimiz +/- yük şeklinde eşleştirilerek saklanır. Kuantum bilgisayarlarda ise veriler bir atom çekirdeği, bir foton ya da bir elektronda saklanabilir.
Atomda bulunan elektronlar, sahip oldukları manyetik alandan dolayı mıknatıs gibi hareket ederler. Elektronun mıknatıs gibi davranma özelliği “spin” (fizikte bir parçacığın açısal momentumu) olarak adlandırılır. Dış etkenlerden tamamen izole bir elektronu manyetik alana soktuğunuz vakit, manyetik kuvvetin etkisiyle manyetik alan doğrultusunda yön değiştirirler. Yani, ya “spin up” (yukarı yönlü) ya da “spin down” (aşağı yönlü) durumunda bulunabilirler. Klasik bilgisayardaki “0” ve “1” durumlarının her ikisine de aynı anda sahip olabileceği ve daha fazla ihtimal ve kombinasyonu mümkün kılabileceği anlamına gelen bu durum bize, tek bir qubitin standart bir bitten çok daha fazla bilgi taşıyabileceğini gösterir.

Image source: http://abyss.uoregon.edu/~js/cosmo/lectures/lec08.html

Kuantum bilgisayarlar şimdilik oldukça hassastır: ısı, elektromanyetik alanlar ve hava molekülleriyle çarpışmalar bir qubitin kuantum özelliklerini kaybetmesine neden olabilir. Kuantum uyumsuzluğu olarak bilinen bu süreç, sistemin çökmesine neden olur ve daha fazla parçacık dahil edildiğinde bu süreç daha hızlı gerçekleşir.
Kuantum bilgisayarların, qubitleri fiziksel olarak izole ederek, serin tutarak veya kontrollü enerji darbelerinden uzak tutarak, dış müdahalelerden korumaları gerekir. Dış ortamdan gelebilecek etkilerin ortadan kaldırılması için kuantum bilgisayarın –273 derece olan mutlak sıcaklığa çok yakın bir ortamda çalışması gereklidir. Bu kadar düşük sıcaklıklar yalnızca çipin sıvılaştırılmış helyum yardımıyla soğutulmasıyla elde edilebilir.

Kuantum üstünlüğü

İlk olarak 2012’de California Teknoloji Enstitüsü profesörlerinden John Preskill tarafından ortaya atılan kuantum üstünlüğü kavramı, klasik bilgisayarlar ile çözülmesi imkansız veya çok uzun zaman alacak problemlerin, kuantum bilgisayarları ile çözülebilmesi durumunu ifade eder.

Popüler bilim dergisi Nature’daki bir makaleye göre; Google Ekim 2019’da “Sycamore” adını verdiği 54 qubit kuantum bilgisayarın mevcut en hızlı süper bilgisayarların 10 bin yılda çözebileceği işlemi 200 saniyede çözdüğünü ileri sürmüş, böylece kuantum üstünlüğüne sahip olduklarını duyurmuştu. IBM ise, Google’ın hesaplamasında bir hata bulunduğunu, kuantum bilgisayarı tarafından çözülen problemin klasik bir bilgisayar tarafından 2.5 günde çözülebileceğini belirtmişti. Ancak, yine de 200 saniye ile 2.5 gün arasındaki muazzam fark Google’ın iddia ettiği gibi dramatik olmasa da, teknoloji dünyası için büyük bir dönüm noktası olma niteliği taşıyor diyebiliriz.

Şinhua Haber Ajansı’na göre, Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi (USTC) tarafından Aralık 2020’de geliştirilen 76 qubit işlem gücüne sahip “Jiuzhang” adı verilen kuantum bilgisayarın ise Google’ın geliştirdiği Sycamore’dan 10 milyar kat daha hızlı olduğu belirtildi.

Qubit sayısı arttıkça kuantum bilgisayarın hız, depolama ve bellek kapasitesi de üstel olarak artar. Genel amaçlı olarak kullanılabilecek bir kuantum bilgisayarının 1 milyon qubite ihtiyacı olacağı belirtilmektedir.

Siber güvenlik

Teknoloji alanında bir devrim olarak gösterilen ve karmaşık sorunları geleneksel bilgisayarlara göre çok daha hızlı çözebilecek olan kuantum bilgisayarların, çok büyük sayıları kolaylıkla asal çarpanlarına ayırabilen “Shor Algoritması” gibi özel algoritmaları çalıştırarak, günümüzde kullanılan RSA ve benzeri çoğu şifreleme yöntemini etkisiz kılabileceği ve beraberinde bir takım güvenlik sorunlarını da gündeme getirebileceği öngörülmektedir. Kuantum bilgisayarların en iyi şifreleme tekniklerini bile çok hızlı bir şekilde aşması, ister istemez bilgisayar kosanlarının da bu konuya ilgisini celbetmekte ve bu gücün siber güvenliği de tehdit etmesinden endişe duyulmaktadır.

Farklı şifreleme yöntemleriyle siber güvenlik önlemlerinin yoğun olarak işletildiği bankalar, devlet kurumları gibi kişisel ve gizli verilerin tutulduğu işletmeler başta olmak üzere, dijital sektördeki herkesin kırılamayacak algoritmalar kullanması ve şifreleme sistemlerini ‘kuantum dayanımlı’ hale getirmesi yakın gelecekte zorunlu hale gelecek gibi görünüyor.

Kuantum bilgisayarlar, gündelik hayatımızdaki klasik bilgisayarlar gibi yaygın olarak kullanıma girmese bile, özellikle işlem yapma kapasiteleri ve hızları bakımından, günün birinde evrenin başlangıcını simüle etmek ve belki de bilimin en karmaşık ve gizemli sorularına cevap verebilmek için kullanılacağı aşikâr.

Kaynaklar:
https://www.newscientist.com
https://blog.google/perspectives/sundar-pichai/what-our-quantum-computing-milestone-means
http://quantumly.com