Kuantum mekaniği, evrenin işletim sistemine benzer. Bilgiyi işlemek için kuantum mekaniği prensiplerini kullanan bir bilgisayar, fiziksel sistemleri modellemede belirli avantajlara sahiptir. Bu nedenle, kuantum hesaplama kimya ve malzeme bilimi uygulamaları için özellikle ilgi çekicidir. Örneğin, kuantum bilgisayarlar, ilaç veya mühendislik uygulamaları için faydalı moleküller arayan araştırmacıların adayları daha hızlı ve verimli bir şekilde belirlemelerine yardımcı olabilir.

 

Kuantum bilişim, kuantum mekaniğinin benzersiz niteliklerini kullanarak en güçlü klasik bilgisayarların bile yapamayacağı sorunları çözmeyi amaçlayan, bilgisayar bilimi ve mühendisliğinin yeni bir alanıdır.

Kuantum bilişim alanı, kuantum donanımı ve kuantum algoritmaları dahil olmak üzere çeşitli disiplinleri kapsar. Kuantum teknolojisi, henüz geliştirme aşamasında olsa da, klasik süper bilgisayarların çözemediği (veya yeterince hızlı çözemediği) karmaşık problemleri çözme yeteneğine sahiptir.

Kuantum fiziğinden yararlanan büyük ölçekli kuantum bilgisayarları, bazı karmaşık problemleri modern klasik makinelerden çok daha hızlı çözebilecektir. Bir kuantum bilgisayarı sayesinde, klasik bir bilgisayarın binlerce yıl sürebilecek bazı problemleri dakikalar veya saatler içinde çözmek mümkün olabilecektir.

Çok küçük ölçeklerde fiziğin incelenmesi olan kuantum mekaniği, şaşırtıcı temel doğa prensiplerini ortaya çıkarır. Kuantum bilgisayarlar, klasik hesaplamayla tek başına mümkün olmayan problemleri çözmek için matematiksel yöntemlere erişmek amacıyla bu olgulardan özellikle yararlanır.

Uygulamada kuantum bilgisayarlarının genel olarak iki tür görev için yararlı olması bekleniyor: fiziksel sistemlerin davranışlarını modellemek ve bilgi içindeki kalıpları ve yapıları belirlemek.

Kuantum mekaniği, evrenin işletim sistemine benzer. Bilgiyi işlemek için kuantum mekaniği prensiplerini kullanan bir bilgisayar, fiziksel sistemleri modellemede belirli avantajlara sahiptir. Bu nedenle, kuantum hesaplama kimya ve malzeme bilimi uygulamaları için özellikle ilgi çekicidir. Örneğin, kuantum bilgisayarlar, ilaç veya mühendislik uygulamaları için faydalı moleküller arayan araştırmacıların adayları daha hızlı ve verimli bir şekilde belirlemelerine yardımcı olabilir.

Kuantum bilgisayarlar, klasik bilgisayarların erişemediği matematiksel teknikleri kullanarak da verileri işleyebilir. Bu, verilere yapı kazandırabilecekleri ve klasik algoritmaların tek başına gözden kaçırabileceği kalıpları keşfetmeye yardımcı olabilecekleri anlamına gelir. Pratikte bu, biyolojiden (örneğin protein katlama) finansa kadar uzanan uygulamalar için faydalı olabilir.

IBM, Amazon, Microsoft ve Google gibi önde gelen kurumlar ve Rigetti ve Ionq gibi girişimler bu heyecan verici teknolojiye yoğun yatırım yapmaya devam ettikçe, kuantum bilişiminin 2035 yılına kadar 1,3 trilyon ABD doları değerinde bir sektör haline gelmesi bekleniyor .

Kuantum mekaniğinin dört temel ilkesi

Kuantum bilgisayarları tartışılırken, evrenin en küçük ölçeklerde günlük hayatımızda alıştığımızdan çok farklı davrandığını anlamak önemlidir. Kuantum parçacıklarının davranışlarını tanımlamak benzersiz bir zorluk sunar. Doğal dünya için geçerli çoğu sağduyu paradigması, kuantum parçacıklarının şaşırtıcı davranışlarını iletmek için gereken kelime dağarcığından yoksundur. Ancak kuantum mekaniği, evrenin gerçekte nasıl işlediğini ortaya koyar. Kuantum bilgisayarlar, geleneksel ikili bit devrelerini kuantum bitleri veya kübitler adı verilen kuantum parçacıklarıyla değiştirerek kuantum mekaniğinden yararlanır. Bu parçacıklar, bitlerden farklı davranır ve yalnızca kuantum mekaniğiyle tanımlanabilen benzersiz özellikler sergiler.

Kuantum hesaplamayı anlamak için dört temel kuantum mekaniği ilkesini anlamak önemlidir:

• Üst üste binme (süperpozisyon)
• Dolanıklık
• Dekoherans (uyum kaybı)
• Girişim

Üst üste binme

Bir kübit kendi başına pek kullanışlı değildir. Ancak, içerdiği kuantum bilgisini, kübitin tüm olası konfigürasyonlarının bir kombinasyonunu temsil eden bir süperpozisyon durumuna yerleştirebilir. Süperpozisyon halindeki kübit grupları, karmaşık ve çok boyutlu hesaplama alanları oluşturabilir. Karmaşık problemler bu alanlarda yeni şekillerde temsil edilebilir.

Bir kuantum sistemi ölçüldüğünde, onun durumu olasılıkların üst üste gelmesinden, ikili bir duruma çöker ve bu durum ikili kod gibi sıfır veya bir olarak kaydedilebilir.

Dolanıklık

Dolanıklık, kübitlerin durumlarını diğer kübitlerle ilişkilendirme yeteneğidir. Dolanık sistemler o kadar içsel olarak bağlantılıdır ki, kuantum işlemciler tek bir dolanık kübiti ölçtüğünde, dolanık sistemdeki diğer kübitler hakkında anında bilgi edinebilirler.

Girişim

Girişim, kuantum hesaplamanın motorudur. Toplu olarak süperpozisyon durumuna yerleştirilen kübitlerden oluşan bir ortam, bilgiyi her bir sonuçla ilişkili genliklerle dalgalara benzeyen bir şekilde yapılandırır.

Bu genlikler, bir sistem ölçümünün sonuçlarının olasılıkları haline gelir. Bu dalgalar, birçoğu belirli bir sonuçta tepe değerlerinde birbirinin üzerine inşa edilebilir veya tepe ve çukurlar etkileşime girdiğinde birbirini yok edebilir. Bir olasılığın yükseltilmesi veya diğerlerinin iptal edilmesi, girişimin iki ayrı formudur.

Dekoherans (uyum kaybı)

Dekoherans, kuantum durumundaki bir sistemin kuantum olmayan bir duruma çökmesi sürecidir. Bu durum bir kuantum sisteminin ölçülmesi veya diğer çevresel faktörler tarafından kasıtlı olarak tetiklenebilir (bazen bu faktörler istemsizce de tetikleyebilir). Genel olarak, kuantum hesaplama, dekoheransın önlenmesini ve en aza indirilmesini gerektirir.

Yukarıdaki bu ilkeler nasıl birlikte çalışır?

Kuantum hesaplamayı daha iyi anlamak için, iki şaşırtıcı fikrin de doğru olduğunu düşünün. Birincisi, belirli durumlara sahip olduğu ölçülebilen nesnelerin (tanımlı olasılık genliklerine sahip süperpozisyon halindeki kübitler) rastgele davranmasıdır. İkincisi ise uzaktaki nesnelerin -bu durumda dolanık kübitlerin- bireysel olarak rastgele olsa da güçlü bir korelasyona sahip olacak şekilde davranabilmesidir.

Kuantum bilgisayarında yapılan bir hesaplama, hesaplama durumlarının üst üste bindirilmesiyle çalışır. Kullanıcı tarafından hazırlanan bir kuantum devresi, kuantum algoritması tarafından yönetilen kübitleri dolanık hale getirmek ve girişim desenleri oluşturmak için bazı işlemler kullanır. Girişim yoluyla birçok olası sonuç iptal edilirken, diğerleri güçlendirilir. Güçlendirilen sonuçlar, hesaplamanın çözümleridir.

Kuantum bilgisayarları nasıl çalışır?

Klasik ve kuantum bilgisayarlar arasındaki temel fark, kuantum bilgisayarlarının bit yerine kübit kullanmasıdır. Kuantum hesaplama ikili kod kullansa da, kübitler bilgiyi klasik bilgisayarlardan farklı şekilde işler. Peki kübitler nedir ve nereden gelirler?

Kübitler nedir?

Klasik bilgisayarlar veriyi depolamak ve işlemek için bitlere (sıfırlar ve birler) güvenirken, kuantum bilgisayarları süperpozisyondaki kuantum bitlerini (kübitler) kullanarak veriyi farklı şekilde işler.

Bir kübit, bir bit gibi davranabilir ve sıfır veya bir bilgisini depolar, ancak aynı zamanda sıfır ve bir bilgisinin ağırlıklı bir kombinasyonu da olabilir. Kübitler birleştirildiğinde, üst üste binmelerinin karmaşıklığı katlanarak artabilir: iki kübit, dört olası 2 bitlik dizinin süperpozisyonunda olabilir, üç kübit ise sekiz olası 3-bitlik dizenin süperpozisyonunda olabilir vb. 100 kübitle, olasılık aralığı astronomiktir.

Kuantum algoritmaları, bilgiyi klasik bilgisayarların erişemeyeceği bir şekilde manipüle ederek çalışır ve bu da özellikle kuantum bilgisayarlar ve yüksek performanslı klasik süper bilgisayarlar birlikte çalıştığında belirli problemler için dramatik hız artışları sağlayabilir

Kübit türleri

Kübitler genellikle süperiletken devreler, fotonlar, elektronlar, hapsolmuş iyonlar ve atomlar gibi kuantum mekaniksel davranış gösteren sistemlerin manipüle edilmesi ve ölçülmesiyle oluşturulur.

Günümüzde kuantum hesaplamada kullanılan kübitleri üretmenin birçok farklı yolu vardır ve bazıları farklı görev türleri için daha uygundur.

Kullanımda olan en yaygın kübit türlerinden bazıları şunlardır:

• Süperiletken kübitler: Son derece düşük sıcaklıklarda çalışan süperiletken malzemelerden yapılan bu kübitler, hesaplamaları gerçekleştirmedeki hızları ve hassas kontrolleri nedeniyle tercih ediliyor.
• Tuzaklanmış iyon kübitleri: Tuzaklanmış iyon parçacıkları da kübit olarak kullanılabilir ve uzun tutarlılık süreleri ve yüksek doğrulukta ölçümleriyle bilinirler, ancak süperiletken kübitlerden çok daha yavaştırlar.
• Kuantum noktaları: Kuantum noktaları, tek bir elektronu yakalayan ve onu bir kübit olarak kullanan küçük yarı iletkenlerdir ve mevcut yarı iletken teknolojisiyle ölçeklenebilirlik ve uyumluluk açısından umut verici bir potansiyel sunarlar.
• Fotonlar: Fotonlar, bireysel ışık parçacıklarıdır. Kübitler oluşturmak ve kuantum bilgilerini optik fiber kablolar aracılığıyla uzun mesafelere göndermek için kullanılabilirler. Kuantum iletişiminde ve kuantum şifrelemesinde kullanılmaktadırlar.

Kübitler neden faydalıdır?

Kuantum bitleri kullanan bilgisayarlar, klasik bitler kullanan bilgisayarlara göre bazı avantajlara sahiptir. Kübitler süperpozisyona dayanabildiği ve girişim sergileyebildiği için, kübit kullanan bir kuantum bilgisayarı sorunlara klasik bilgisayarlardan farklı şekillerde yaklaşır.

Kuantum bilgisayarlarının karmaşık problemleri çözmek için kübitleri nasıl kullandığını anlamak için faydalı bir benzetme olarak, karmaşık bir labirentin ortasında durduğunuzu hayal edin. Labirentten kurtulmak için geleneksel bir klasik hesaplama yaklaşımı, problemi "kaba kuvvetle" çözmek ve çıkışı bulmak için mümkün olan her türlü yol kombinasyonunu denemek olurdu. Bu tür bir bilgisayar, yeni yollar keşfetmek ve hangilerinin çıkmaz sokak olduğunu hatırlamak için bitleri kullanırdı.

Bir kuantum bilgisayarı, sanki labirentin kuşbakışı görüntüsüne sahipmiş gibi, tüm hatalı yolları test etmesine gerek kalmadan doğru yolu türetebilir. Ancak kübitler aynı anda birden fazla yolu test etmez. Bunun yerine, kuantum bilgisayarlar bir sonucu belirlemek için kübitlerin olasılık genliklerini ölçer.

Bu genlikler, birbirleriyle örtüşen ve etkileşime giren dalgalar gibi işlev görür. Asenkron dalgalar örtüştüğünde, karmaşık problemlere olası çözümler etkili bir şekilde ortadan kalkar ve elde edilen tutarlı dalga veya dalgalar doğru bir çözüm sunar.

Kuantum hesaplamanın bileşenleri

Kuantum işlemcisi, bir dizüstü bilgisayarda bulunan silikon yongalardan çok daha büyük olmayan bir yongadır. Ancak, modern kuantum donanım sistemleri (cihazları ultra soğuk bir sıcaklıkta tutmak için kullanılır) ve sistemi kontrol edip kuantum verilerini işleyen ekstra oda sıcaklığındaki elektronik bileşenler, ortalama bir araba büyüklüğündedir.

Eksiksiz bir kuantum donanım sisteminin geniş kapsamı, çoğu kuantum bilgisayarını taşınabilir olmaktan çıkarsa da, araştırmacılar ve bilgisayar bilimcileri bulut bilişim aracılığıyla saha dışı kuantum hesaplama yeteneklerine erişebilmektedir. Bir kuantum bilgisayarının temel donanım bileşenleri şunlardır:

Kuantum işlemciler

İletişimi sağlamak için çeşitli konfigürasyonlarda yerleştirilen kübitlerden oluşan kuantum yongaları (kuantum veri düzlemi olarak da bilinir), kuantum bilgisayarının beyni gibi işlev görür.

Kuantum bilgisayarının temel bileşeni olan kuantum işlemci, sistemin fiziksel kübitlerini ve bunları yerinde tutmak için gereken yapıları içerir. Kuantum işlem birimleri (QPU'lar), giriş ve çıkış için gereken kuantum yongasını, kontrol elektroniğini ve klasik hesaplama donanımını içerir.

Süperiletkenler

Masaüstü bilgisayarınızı muhtemelen yeterince soğumak için bir fan kullanır. Kuantum işlemcilerin, gürültüyü en aza indirmek ve kuantum durumlarını korumak için mutlak sıfırın yaklaşık yüzde biri kadar üzerinde, çok soğuk olması gerekir. Bu ultra düşük sıcaklık, aşırı soğutulmuş süperakışkanlarla elde edilir. Bu sıcaklıklarda, bazı malzemeler önemli bir kuantum mekaniği etkisi sergiler: elektronlar içlerinde dirençsiz hareket eder. Bu etki onları süperiletken yapar.

Malzemeler süperiletken hale geldiğinde, elektronlar eşleştirilerek bazı çiftler oluşturur. Bu çiftler, kuantum tünelleme olarak bilinen bir süreçle bariyerler veya yalıtkanlar üzerinden yük taşıyabilir. Bir yalıtkanın iki yanına yerleştirilen iki süperiletken, kuantum hesaplama donanımının önemli bir parçası olan bir bağlantıyı oluşturur.

Kuantum yazılımı

Kuantum donanım bileşenlerini geliştirmeye yönelik araştırmalar devam ediyor, ancak bu denklemin sadece yarısı. Kullanıcıların kuantum avantajını keşfetmesinin özü, yeni nesil kuantum algoritmalarını mümkün kılacak yüksek performanslı ve kararlı bir kuantum yazılım kümesine bağlıdır.

Bu kuantum yazılım türlerinden bazıları şunlardır; Python Yazılım Vakfı tarafından geliştirilen Python, IBM Qiskit, D-Wave Ocean, Microsoft Q# ve Google CİRQ.

Devamı var…