Kuantum bilişim, şu anda klasik bilgisayarların erişemediği sorunları çözerek dünyada devrim yaratmaya hazır. Süperpozisyon, dolanıklık ve kuantum tünelleme gibi kuantum mekaniği prensiplerinden yararlanma becerisiyle kuantum bilişim, benzeri görülmemiş bir hesaplama gücü sunuyor. Kuantum donanımları ve algoritmaları gelişmeye devam ettikçe, kuantum bilişimin kriptografi, sağlık, finans, lojistik, yapay zeka ve malzeme bilimi gibi sektörleri dönüştürmesini bekleyebiliriz.

 

 

Klasik hesaplama ve kuantum hesaplama

Kuantum bilişim, çok küçük nesnelerin büyük nesnelerden nasıl farklı davrandığını açıklayan kuantum mekaniği ilkeleri üzerine kuruludur. Ancak kuantum mekaniği, tüm evrenimizin temel yasalarını çok küçük bir düzeyde sağladığı için, her sistem bir kuantum sistemidir.

Bu nedenle, geleneksel bilgisayarların da kuantum sistemleri üzerine inşa edilmiş olmasına rağmen, hesaplamaları sırasında kuantum mekaniğinin özelliklerinden tam olarak yararlanamadıklarını söyleyebiliriz. Kuantum bilgisayarların, yüksek performanslı bilgisayarların bile yapamadığı hesaplamaları yapmak için kuantum mekaniğinden daha iyi yararlanmaları beklenmektedir.

Klasik bilgisayar nedir?

Eski delikli kart bilgisayarlarından modern süper bilgisayarlara kadar, geleneksel (veya klasik) bilgisayarlar temelde aynı şekilde çalışır. Bu makineler genellikle hesaplamaları ardışık olarak gerçekleştirir ve verileri ikili bilgi bitleri kullanarak depolar. Her bit 0 veya 1'i temsil eder.

İkili koda birleştirilip mantık işlemleriyle işlendiğinde, basit işletim sistemlerinden en gelişmiş süper bilgisayar hesaplamalarına kadar her şeyi bilgisayarlarla yaratabiliriz.

Kuantum bilgisayarı nedir?

Kuantum bilgisayarlar, tıpkı klasik bilgisayarlar gibi, problem çözme makineleridir. Ancak kuantum hesaplama, bitler yerine kübitleri kullanır. Kübitler, geleneksel bitler gibi verileri işlemek için kullanılır; ancak kuantum olgularından yararlanarak, farklı bir hesaplama türü için daha karmaşık matematiğe erişebilirler. Bu, daha önce tartışılan süperpozisyon ve girişim olarak bilinen kuantum mekaniği kavramlarından kaynaklanmaktadır.

Kuantum ve klasik hesaplama arasındaki fark

Klasik bilişim

• Yaygın, çok amaçlı bilgisayarlar ve cihazlar tarafından kullanılır.
• Bilgileri, 0 veya 1 gibi olası durumların ayrık sayısına sahip bitler halinde işler.

Kuantum bilişim

• Kuantum mekaniğine dayalı kuantum hesaplama donanımları tarafından kullanılır.
• Bilgiyi 0, 1 veya 0 ve 1'in üst üste gelmesi şeklinde kübitlerde işler.
• Girişimden yararlanarak kuantum mantığıyla verileri işler ve sorunları çözer.

Kuantum işlemciler, matematiksel denklemleri klasik bilgisayarların yaptığı gibi işlemez. Karmaşık bir hesaplamanın her adımını hesaplaması gereken klasik bilgisayarların aksine, mantıksal kübitlerden oluşan kuantum devreleri karmaşık problemleri daha verimli bir şekilde işleyebilir.

Geleneksel bilgisayarlar genellikle tekil cevaplar verirken, olasılıksal kuantum makineleri genellikle muhtemel cevap aralıkları sunar. Bu aralık, kuantum hesaplamayı geleneksel hesaplamadan daha az hassas gösterebilir. Ancak, kuantum bilgisayarlarının kısa sürede çözebileceği inanılmaz derecede karmaşık problemler için, bu hesaplama yöntemi potansiyel olarak yüz binlerce yıllık geleneksel bilgisayar hesaplama süresini birkaç dakikaya indirebilir.

Uygulamada, kuantum bilgisayarlar ve klasik bilgisayarlar sorunları çözmek için birleşik iş akışlarında bir arada çalışırlar. En verimli yöntemler, bir hesaplamanın kuantum bilgisayarlarının en iyi olduğu kısımlarını kuantum hesaplama kaynaklarına, klasik bilgisayarların en iyi olduğu kısımlarını ise klasik hesaplama kaynaklarına dağıtır.

Yüksek performanslı klasik bilgisayarlarla birlikte çalışan tam olarak gerçekleştirilmiş kuantum bilgisayarları, tamsayı çarpanlarına ayırma gibi belirli türdeki problemlerde klasik bilgisayarlardan çok daha üstün olacaktır. Ancak kuantum hesaplama her (veya çoğu) problem için ideal değildir.

Kuantum hesaplama ne zaman üstündür?

Çoğu görev ve sorun için klasik bilgisayarların en iyi çözüm olmaya devam etmesi beklenir. Ancak bilim insanları ve mühendisler bazı oldukça karmaşık problemlerle karşılaştıklarında kuantum hesaplama devreye girer. Bu tür zorlu hesaplamalar için, en güçlü klasik süper bilgisayarlar bile kuantum hesaplamanın yanında sönük kalır. Çünkü en güçlü klasik süper bilgisayarlar bile 20. yüzyıl teknolojisine dayanan ikili kod tabanlı makinelerdir.

Karmaşık problemler, birçok değişkenin karmaşık şekillerde etkileşime girdiği problemlerdir. Örneğin, bir moleküldeki tek tek atomların davranışını modellemek, elektronlar arasındaki tüm farklı etkileşimler nedeniyle karmaşık bir problemdir. Bir süper çarpıştırıcıda yeni fizik kuralları belirlemek de karmaşık bir problemdir. Klasik bilgisayarlarla pratik ölçekte nasıl çözeceğimizi bilmediğimiz bazı karmaşık problemler vardır.

Klasik bir bilgisayar, büyük bir molekül veri tabanını ayıklamak gibi zorlu görevlerde başarılı olabilir. Ancak, bu moleküllerin nasıl davrandığını taklit etmek gibi daha karmaşık problemleri çözmekte zorlanır.

Günümüzde bilim insanları bir molekülün nasıl davrandığını bilmek istiyorlarsa, onu sentezleyip gerçek dünyada deneyler yapmalılar. Küçük bir değişikliğin davranışını nasıl etkileyeceğini öğrenmek istiyorlarsa, genellikle yeni versiyonu sentezleyip deneylerini baştan yapmaları gerekir. Bu, tıp ve yarı iletken tasarımı gibi çeşitli alanlarda ilerlemeyi engelleyen pahalı ve zaman alıcı bir süreçtir.

Klasik bir süper bilgisayar, molekülün her parçasının olası her davranışını keşfetmek için çok sayıda işlemcisini kullanarak moleküler davranışı kaba kuvvetle taklit etmeye çalışabilir. Ancak mevcut en basit ve en anlaşılır moleküllerin ötesine geçtiğinde, süper bilgisayar durur. Hiçbir klasik bilgisayar, bilinen yöntemleri kullanarak moleküler davranışın tüm olası permütasyonlarını (permütasyon: bir grup içerisinden belirli sayıda elemanın, sıralı olarak seçilmesidir)  işleyemez.

Kuantum algoritmaları, bu tür karmaşık problemlere, bu moleküllere çok benzeyen algoritmaları çalıştırabilecekleri çok boyutlu hesaplama alanları oluşturarak yeni bir yaklaşım getiriyor. Bu, kimyasal benzetimler gibi karmaşık problemleri çözmenin çok daha verimli bir yolu olarak ortaya çıkar.

Bunu şöyle düşünebiliriz: Klasik bilgisayarların, bir molekülün nasıl davranacağını anlaması için çok karmaşık hesaplamalar yapması gerekir. Bir kuantum bilgisayarın hesaplamalar yapmasına gerek yoktur. Moleküler sistemi doğrudan taklit edebilir.

Kuantum algoritmaları ayrıca verileri klasik bilgisayarların yapamadığı şekillerde işleyebilir, yeni yapılar ve içgörüler sunabilir.

Kuantum bilişim kullanım durumları

İlk olarak 1980'lerin başında teorileştirilen  varsayımsal bir kuantum makinesinin ilk pratik gerçek dünya uygulamalarından biri, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nde (MIT) uygulamalı matematik profesörü olan Peter Shor tarafından 1994 yılında yayınlandı. Shor'un tamsayı çarpanlarına ayırma algoritması, kuantum mekaniksel bir bilgisayarın, bazıları bugün hala kullanılan dönemin en gelişmiş kriptografi sistemlerini nasıl kırabileceğini gösterdi. Shor'un bulguları, kuantum sistemleri için uygulanabilir bir uygulama olduğunu ve yalnızca siber güvenlik için değil, birçok başka alan için de önemli sonuçlar doğuracağını gösterdi.

Mühendislik firmaları, finans kuruluşları ve küresel nakliye şirketleri de dahil olmak üzere, kuantum bilgisayarlarının kendi alanlarındaki önemli sorunları çözebileceği kullanım alanlarını araştırıyorlar. Kuantum araştırma ve geliştirmenin sağladığı faydalardaki büyük gelişim ufukta şekilleniyor. Kuantum donanımları ölçeklendikçe ve kuantum algoritmaları geliştikçe, moleküler simülasyon, enerji altyapısı yönetimi ve finans piyasası modellemesi gibi büyük ve önemli sorunlara yakında yeni çözümler bulabiliriz.

Kuantum bilgisayarlar, birçok değişkeni olan belirli karmaşık problemleri çözmede mükemmeldir. Yeni ilaçların geliştirilmesinden yarı iletken geliştirmedeki  ilerlemelere   ve karmaşık enerji zorluklarının üstesinden gelmeye kadar, kuantum hesaplama birçok kritik sektörde çığır açan gelişmelerin anahtarı olabilir.

İlaçlar

Moleküler davranışları ve biyokimyasal reaksiyonları taklit edebilen kuantum bilgisayarlar, hayat kurtarıcı yeni ilaçların ve tıbbi tedavilerin araştırma ve geliştirme süreçlerini hızlandırabilir.

Kimya

Kuantum bilgisayarları tıp araştırmalarını etkileyebileceği gibi, tehlikeli veya yıkıcı kimyasal yan ürünleri azaltmak için keşfedilmemiş çözümler de sunabilir. Kuantum bilişim, petrokimyasal alternatiflere veya iklimi tehdit eden emisyonlarla mücadele için gerekli karbon parçalanması için daha iyi süreçlere olanak tanıyan gelişmiş katalizörlerin geliştirilmesine yol açabilir.

Makine öğrenimi

Yapay zekaya ve makine öğrenimi gibi ilgili alanlara olan ilgi ve yatırım arttıkça, araştırmacılar yapay zeka modellerini yeni uç noktalara taşıyor, mevcut donanımımızın sınırlarını zorluyor ve muazzam bir enerji tüketimi talep ediyor. Kuantum algoritmalarının veri kümelerine yeni bir bakış açısıyla yaklaşabileceğini ve bazı makine öğrenimi sorunlarına hız kazandırabileceğini düşünmek için bazı nedenler var.

Kuantum faydası ve avantajı

Kuantum hesaplama artık sadece teorik olmasa da, hâlâ geliştirilme aşamasındadır. Dünya çapında bilim insanları kuantum makinelerinin hızını, gücünü ve verimliliğini artırmak için yeni teknikler keşfetmeye çalışırken, teknoloji bir dönüm noktasına yaklaşıyor.

Kuantum faydası

Kuantum faydası, kaba kuvvet klasik hesaplama kuantum-makine simülatörlerinin erişemeyeceği sorunlara güvenilir, doğru çözümler sağlayan herhangi bir kuantum hesaplamayı ifade eder. Daha önce, bu sorunlara yalnızca klasik yaklaşım yöntemleriyle ulaşılabiliyordu; bu yöntemler genellikle belirli bir sorunun benzersiz yapılarından yararlanmak üzere özenle tasarlanmış, soruna özgü yaklaşım yöntemleriydi.

Kuantum avantajı

Geniş anlamda kuantum avantajı terimi, kuantumun bilinen tüm klasik yöntemlerden daha iyi, daha hızlı veya daha ucuz bir çözüm sunabildiği bir durumu tanımlar. Kuantum bilgisayarında kuantum avantajı sergileyen bir algoritma, bilinen tüm klasik hesaplama yöntemlerinin ötesinde önemli ve pratik bir fayda sağlamalıdır.

Kuantum kıyaslamaları

Kuantum hesaplama artık belirli problemler için klasik yaklaşıma uygulanabilir bir alternatif sunduğundan, araştırmacılar bunun bilimsel keşif için yararlı bir araç olduğunu veya faydası olduğunu söylüyorlar. Kuantum faydası, kuantum yöntemlerinin bilinen tüm klasik yöntemlere göre kanıtlanmış bir hız artışı sağladığı iddiası değildir.

Kuantum bilgisayarları kıyaslamak için iki temel ölçütten biri katman doğruluğu ve diğeri ise saniye başına devre katmanı işlemleridir.

Katman doğruluğu

Son derece değerli bir ölçüt olan katman doğruluğu, kuantum işlemcisinin devreleri çalıştırma becerisinin tamamını kapsamanın yanı sıra, tek tek kübitler, kapılar ve çapraz karışım hakkında bilgi elde etmenin bir yolunu sunar. Katman doğruluğu protokolünü çalıştırarak, araştırmacılar genel kuantum cihazını değerlendirirken, aynı zamanda tek tek bileşenler hakkında ayrıntılı performans ve hata bilgilerine de erişebilirler.

Kuantum işlem hızı

Katman doğruluğuna ek olarak, bir diğer ölçüt de  saniye başına devre katman işlemleridir. Bu ölçüt halen işlemcilerin kuantum hacim devrelerini seri olarak ne kadar hızlı çalıştırabildiğinin bir ölçüsü olup, kuantum ve klasik hesaplamayı bir araya getirerek bütünsel sistem hızının bir ölçüsü olarak işlev görmektedir.

Devre derinliği

Devre derinliği, bir kuantum işlem biriminin temel bir yeteneğidir. Bu, kübitler uyumsuz hale gelmeden önce işlem biriminin çalıştırabileceği paralel kapı yürütme sayısının (bir kuantum devresindeki adım sayısı) bir ölçüsüdür. Devre derinliği ne kadar büyükse, bilgisayar o kadar karmaşık devreleri çalıştırabilir.

Kuantum bilgisayarları nasıl daha kullanışlı hale getirilir?

Günümüzde IBM, Google, Microsoft, D-Wave, Rigetti Computing ve daha birçok şirket gerçek kuantum donanımı üretiyor. Kırk yıl önce yalnızca teorik olan son teknoloji araçlar artık yüz binlerce geliştiricinin kullanımına açık. Mühendisler, yazılım ve kuantum-klasik orkestrasyondaki önemli ilerlemelerin yanı sıra, düzenli aralıklarla giderek daha güçlü süperiletken kuantum işlemcileri sunuyor. Bu çalışma, dünyayı değiştirmek için gereken kuantum hesaplama hızına ve kapasitesine doğru ilerliyor.

Artık bu alan kuantum faydasına ulaştığına göre, araştırmacılar en son teknolojik kuantum bilgisayarlarını daha da kullanışlı hale getirmek için yoğun bir şekilde çalışıyorlar. Bunun yanı sıra birçok araştırmacı, kuantum faydasını artırmak ve potansiyel olarak kuantum avantajı elde etmek için bazı temel zorlukları da ifade etmektedirler:

1. Kuantum işlemcilerin ölçeklenmesi: Kuantum hesaplamada kullanılan kübit işlemciler, bit tabanlı işlemcilerden çok daha iyi performans gösterme potansiyeline sahip olsa da, mevcut kuantum işlemciler yalnızca sınırlı sayıda potansiyel kübiti destekleyebilmektedir.
2. Kuantum donanımını ölçeklendirmek: Güçlü olmalarına rağmen kübitler hataya oldukça açıktır ve uzaydan daha düşük sıcaklıklar yaratabilen büyük soğutma sistemleri gerektirir. Araştırmacılar şu anda ayak izini, maliyeti ve enerji kullanımını azaltmak için kübitleri, elektronik cihazları, altyapıyı ve yazılımları ölçeklendirmenin yollarını geliştiriyorlar.
3. Kuantum hata düzeltme: Kübitlerin düzgün çalışmaması ve hatalı sonuçlar üretmesi süreci olan dekoherans (kuantum çökmesi) herhangi bir kuantum sistemi için büyük bir engeldir. Kuantum hata düzeltme, kuantum bilgilerini normalde ihtiyaç duyacağımızdan daha fazla kübite kodlamamızı gerektirir. Kuantum hata düzeltme kodlarını uygulamada ve kodlanmış kuantum bilgileri üzerinde hesaplamalar yapmada hala zorluklar olsa da, bu yeni kod, bir milyar veya daha fazla mantık kapısına sahip kuantum devrelerini çalıştırmaya giden açık bir yolu işaret ediyor.
4. Kuantum algoritması keşfi: Kuantum avantajı iki bileşen gerektirir. Birincisi, uygulanabilir kuantum devreleri, ikincisi ise bu kuantum devrelerinin bir kuantum problemini çözmede bilinen klasik yöntemlerden daha iyi olduğunu göstermenin bir yoludur. Kuantum algoritması keşfi, mevcut kuantum teknolojilerini kuantum faydasından kuantum avantajına taşıyacak olan şeydir.
5. Kuantum yazılım ve ara yazılım: Avantaj sağlayan kuantum bilişim, kuantum programları yazmak, optimize etmek ve yürütmek için yüksek performanslı ve kararlı bir yazılım yığını gerektirir. Örneğin IBM'in açık kaynaklı ve Python tabanlı Qiskit yazılımı , dünyada açık ara en yaygın kullanılan kuantum Yazılım Geliştirme Kiti’dir (SDK) . Hem IBM'in süperiletken kuantum bilgisayar filosunda hem de manyetik alanlara hapsolmuş iyonlar veya kuantum tavlama gibi alternatif teknolojiler kullanan sistemlerde çalıştırma için kullanışlıdır.
6. Kuantum merkezli süper hesaplama: Öngörülebilir gelecekte, kuantum hesaplama, modern ve gelecekteki klasik süper hesaplamalarla birlikte çalışarak faydalı olacaktır. Buna karşılık, kuantum araştırmacıları, klasik süper bilgisayarların kuantum devrelerini kullanarak sorunları çözebileceği bir dünyaya hazırlanıyor.

Kuantum bilişim, şu anda klasik bilgisayarların erişemediği sorunları çözerek dünyada devrim yaratmaya hazır. Süperpozisyon, dolanıklık ve kuantum tünelleme gibi kuantum mekaniği prensiplerinden yararlanma becerisiyle kuantum bilişim, benzeri görülmemiş bir hesaplama gücü sunuyor. Kuantum donanımları ve algoritmaları gelişmeye devam ettikçe, kuantum bilişimin kriptografi, sağlık, finans, lojistik, yapay zeka ve malzeme bilimi gibi sektörleri dönüştürmesini bekleyebiliriz. Ancak, uyumsuzluk, ölçeklenebilirlik, algoritma geliştirme ve kuantum üstünlüğü gibi önemli zorluklar devam ediyor. Bu engellere rağmen, kuantum bilişimin geleceği, yaşam ve çalışma biçimimizi değiştirebilecek potansiyel uygulamalarla umut verici görünüyor.