Kuantum Bilgisayar Nedir, Nasıl Çalışır?

Bilgisayar kullanımı artıkça kullanıcıların ihtiyaçları da artmaya başladı. İnsanların gündelik yaşamlarını kolaylaştırmak ve hızlandırmak amacıyla bilgisayarlara olan bağımlılıkları da çoğaldı. Kullanım arttıkça özellikle iş dünyasında bilgisayar sistemleri, talepleri karşılayamaz hale geldi. Sistem geliştiricileri zaman içerisinde teknolojilerini ilerlettiler. Bu ilerleme özellikle ilaç, finans, havacılık, güvenlik ve uzay bilimlerinde daha da hız kazandı. 

Yüksek teknoloji gerektiren bilim dallarında problemlerin çözümleri için gelişmiş hesaplama aygıtları ihtiyacı zaman içerisinde önem teşkil etmeye başladı. Bilim insanları, 1980’li yıllarda kuantum hesaplama yöntemlerinin, zor problemlerin kolaylıkla çözümlenmesini sağladığını keşfetti. Ardından aynı yıllarda fizikçi Richard Feynman, geleneksel bilgisayarda çözülmesi uzun zaman alan denklemlerin, kuantum bilgisayar sistemi ile çözümlenebileceğini fikrini ortaya attı.1994 yılında ise Amerikalı bilim adamı Peter Shor’un kuantum hesaplama yöntemleri ile ilgili bulduğu formüllerin büyük faydası oldu. 

Matematik profesörü Peter Shor’un buluşları temel alınarak, kuantum bilgisayarlar üretilmeye başlandı. Kuantum bilgisayarların geliştirilmesi konusunda birçok üniversite ve teknoloji şirketlerinin laboratuvarlarında araştırmalar yapılmaktadır. IBM, Microsoft, Google, Airbus, Nokia, Mitsubishi, Nec, Volkswagen, Hp, Rigetti, Biogen ve Amgen gibi şirketlerin teknoloji birimlerinde kuantum bilgisayarlar hakkında geliştirme çalışmaları devam etmektedir. Hatta süreç içerisinde bu firmaların büyük bir rekabet içerisinde olduğu söylenebilir. 

Kuantum Bilgisayar Nedir?

Güncel hayatta çözümü çok kolay gibi görünen bazı problemlerin içerisine, tek bir değer ilave edildiğinde içinden çıkılmaz hal alabilmektedir. Örneğin ‘A kişisi ile B kişisinin ormanda karşılarına çıkan iki yoldan hangisini kullanmaları gerektiği’ sorusunun çözümü kolay olabilir. Ancak bu iki kişilik gruba, C ve D kişisi katıldığı zaman çözüm zorlaşmaktadır. Şimdi bunu milyonlarca kişi varmış gibi düşünelim. Çözüme ulaşmak binlerce yıl alabilmektedir. 

Kuantum bilgisayarlar, alışılagelmiş bilgisayarlardan çok daha hızlı çalışan süperpozisyon ve dolanıklık/entanglement unsurlarına dayanarak çalışmaktadır. Kuantum bilgisayarların soğutma maliyetleri oldukça yüksektir. Mutlak sıfır değerine yakın (-273.14 cantigrad) bir değere kadar soğutulmaları birçok zorluğu beraberinde getirmektedir. Bu nedenle araştırma yapan ülkeler önemli ölçüde bütçe ayırmak zorunda kalmaktadırlar. 

Geleneksel bilgisayarlar gündelik işlemlerin yapılması için idealdir. Ancak kuantum bilgisayarların yaptıkları işlemleri yapamazlar. Kuantum bilgisayarlar, havacılık, uzay, ilaç ve güvenlik sektörlerinin işlemlerini daha hızlı ve güvenilir şekilde yapabilmektedir. Basit bir karşılaştırma yapmak gerekirse bir kuantum bilgisayar Word programını hızlı çalıştıramaz. Ancak ilaç denemeleri ve uzay sektörü için gerekli olan simülasyonları hızlı ve en doğru şekilde gerçekleştirir. 

Kuantum bilgisayarlar kişisel kullanım amacı ile üretilmediği için piyasa sunulmuş bilgisayarlar değildir. Kuantum bilgisayarlar laboratuvar ortamlarında Ar-Ge çalışmaları için kullanılmaktadırlar. 

Microsoft Azure Quantum platformu, tıpkı IBM gibi, kullanıcıların kuantum bilgisayara erişme hakkı vermektedir. Ancak bunun yanında, Google kuantum bilgisayarlara erişim satışı yapmamaktadır. Amazon Web Services ise müşterilerine IonQ, Rigetti, D-Wave gibi satıcı firmalar donanımlara erişim sağlayabilen Amazon Braket’i piyasaya sürdü. Ancak kuantum bilgisayarların çok uzun yıllar içerisinde kişisel kullanıma açılması pek mümkün görülmemektedir. 

Kuantum Bilgisayarlar Nasıl Çalışır?

Basit bir anlatımla Kuantum bilgisayar gelişmiş bir süper hesap makinesidir. Süper iletken devreler, elektronlar, fotonlar ve kuantum fiziğinin diğer tüm olgularını kullanarak çözülemeyen problemlerin üstesinden gelirler. Kuantum bilgisayarın temelini oluşturan fizik matematik ve de bilişim bilimi önemli araştırmalar yapmaya devam etmektedir. 

Kuantum hesaplama sistemi, kuantum bitleri ve atom altı parçacıklarını kullanarak çalışır. Kubit ismi verilen kuantum bitleri çok karmaşık bir yapıya sahiptir. Öylesine hassastırlar ki bulundukları ortamdaki çok küçük değişiklikleri dahi kayıt altına alabilirler. Kuantum bilgisayarlar var olan tüm sinyalleri, ortamda bulunan parazitleri yok ederek kaydederler. Bu nedenle hemen sıfır hata oranı ile çalışırlar. 

Hesaplama yaparken süperposizyon kubitler üzerinden çalışan sistem, hataya yer vermeyecek bir şekilde çözüm yolunu bulur. Klasik bilgisayarlar çalışma sistemi, 1 veya 0 tarnsistörlerini kullanır. Tüm veriyi 1 ve 0 değerine sahip bitlerle kodlarlar. Ve bu yüzden de yetenekleri sınırlıdır. Kuantum bilgisayarlar da ise sistem 0 ve 1 değerinin süperposizyonu olabilecek şekilde çalışır. Birbirine bağlanan tüm kübitler hesaplama gücünü katlanarak artırırlar. 

Kuantum bilgisayarların üretiminde en büyük sorunlardan birisi, kübitlerin son derece kırılgan bir yapıya sahip olmasıdır. Ortamdaki parazitler ile iletişime geçtiklerinde uyumsuzluk sorunları ortaya çıkabilir. Uyumsuzluğa neden olan olgu da kübitlerin kuantum yapılarını bozabilmektedir. Eğer algoritma işlemini tamamlamadan önce bu tarz bir uyumsuzluk oluşursa depolanan tüm veri kaybolabilir. 

Günümüzde geliştirilmiş kuantum işlemcileri 60 kübiti aşma eğilimindedir. Ancak hatasız ve sorunsuz bir işlemci yaratabilmek için 1000 kübit gerekmektedir. Buna rağmen kuantum hesaplama teknolojisi epey bir yol kat etmiştir. 10004’te 1 hata payı oranıyla çalışan bir sistem oluşturulmuştur. 

Kuantum bilgisayarların diğer bir sorunu ise iyi izole edilmeleri gerektiğidir. İyi bir izolasyon sistemi ise çok büyük bütçeler gerektirir. Böylesine güçlü bir izolasyon ancak çok soğuk ısı değerlerinde oluşturulabilmektedir. Ancak bu tür güçlü bir izolasyon da yanında başka bir sorun getirir: İnsanların hesaplamalarının sonucuna ulaşma zorluğu. Kaliteli bir yalıtım kontrolü de zorlaştıran bir etkendir. 

Kübitlerin kararsızlığını ve uyum sorunlarını ortadan kaldıracak olan çözüm Majorana Parçacığıdır. Ancak bu parçacığın tespiti konusunda bilim insanları henüz bir fikir birliğine sahip olamamışlardır. İtalyan fizikçi Ettora Majorana 1937 senesinde kendi antiparçacıkları olan temel parçacıkların varlığını bildirmiştir. Ancak bilim adamı çalışmalarını tamamlayamadan ortadan kaybolmuştur. Werner Heisenberg ile yaptığı kuantum çalışmaları sonucunda bir nükleer bomba ürettiği varsayılarak kaçırıldığı veya öldürüldüğü sanılmaktadır. 

Microsoft firması uzun yıllardır güvenilir ve güçlü bir kuantum bilgisayar üretmek için Majorana parçacıklarını kullanarak araştırmalar yapmaya devam etmektedir. Ancak maalesef ki bu çalışmalar yıllardır olumlu bir sonuç ortaya çıkarmamıştır. 

Kuantum Bilgisayarlar Neden Daha Üstündür?

Tüm olumsuz laboratuvar sonuçlarına rağmen, halen kuantum bilgisayarlar birçok bilgisayarın çözemediği problemlerin üstesinden kolaylıkla gelebilmektedirler. Teoride Peter Shor’un algoritması hatasız çalışmaktadır. Ancak pratikte algoritmanın, büyük bir sayıyı çarpanlarına ayırmak için milyonlarca kübite ihtiyaç duyduğudur. Bu da maalesef ki günümüzde mümkün değildir. 

Bu olumsuzluğa rağmen Google firmasının 2019 senesinde geliştirdiği 53 kübitlik kuantum bilgisayarı, klasik bir bilgisayarın binlerce yılda çözebileceği bir işlemi bir kaç dakikada çözebilmektedir. IBM firması ise bu gelişmeye karşı, klasik bilgisayarların aynı işlemi binlerce yılda değil de 2-3 günde çözebileceğini bildirmiştir. Çinli bir kuantum bilgisayar firması ise klasik bilgisayarların 8 senede çözebileceği problemi 2 saatte çözebilen bir kuantum bilgisayar geliştirmişlerdir. 

Kuantum Bilgisayarlar Nerelerde Kullanılmaktadır?

Siber saldırılara karşı % 100 güvenli olduğu varsayılan kuantum bilgisayarlar, özellikle kanser ilaçlarının geliştirilmesinde simülasyon yöntemleri ile birlikte kullanılmaktadır. Kuantum bilgisayarlar, akışkan simülasyonlar, finans sektörü, uzay ve güvenlik sektörü ile veri analizi yapan işletmeler tarafından kullanılabilmektedir. Bunun yanı sıra hava durumu tahminlerinde de güncel olarak kullanılmaktadır. Kimyasal sensörler aracılığı ile suyun temiz kalmasını sağlama gibi görevleri yerine getirebilirler. Yapay zeka teknolojisinin geliştirilmesinde büyük rol oynayabilirler. Finansal hesaplamaların daha doğru ve çok hızlı şekilde raporlanmasını gerçekleştirebilir. 

Kişisel ya da ticari alanlarda günümüzde kuantum bilgisayarlar kullanılmamaktadır. Ancak ilaç geliştirme finans makine kullanımını öğrenme gibi işlemleri kolayca yapan kuantum bilgisayarlar, zaman içerisinde hayatımıza girecektir. Google, IBM, Microsoft gibi teknoloji firmalarının yoğun çalışmaları sonucunda bilim insanları, çok zor problemlerin çözümüne kuantum bilgisayarlar sayesinde ulaşacaklardır. 

0 Shares:
Bu İçerikler İlginizi Çekebilir