Kuantum Bilgisayar Nedir?

Kuantum bilgisayarların ne olduklarını ve nasıl çalıştıklarını hiç merak ettiniz mi? Kuantum Teorisi’nin ardındaki ilkeler baz alınarak yapılan bu cihazların nasıl çalıştıkları ve yeni çağ teknolojisinde nerede yer edinebilecekleri yazımızda...

A- A+

16.10.2015 tarihli yazı 55758 kez okunmuştur.

Kuantum Bilgisayar Veri Kuantum Algoritma D-Wav NASA Google

Kuantum Bilgisayar Nedir?

Paul Beniof, 1981 yılında Max Planck’ın enerjinin sürekli değil de kesikli değerlerdeki, m,n,k enerji kuantlarla salındığını öne sürdüğü fikrinden yola çıkarak kuantum bilgisayar konseptini teoriye dönüştürdü. Bu yıldan itibaren kuantum bilgisayarların üretimi ve insanların günlük hayatlarında kuantum bilgisayarları kullanabileceği düşüncesi özellikle kuantum fiziğindeki ve teknolojideki yeni gelişmelerle daha da yaygınlaşmaya başladı. Kuantum bilgisayar düşüncesi, maddeyi ve enerjiyi atom ve atom altı seviyede açıklamaya çalışan kuantum teorisinin temel ilkeleri üzerinde geliştirilmektedir. Bu bilgisayarlar işlemler yaparken; kuantum bitleri (kübit), süper pozisyon ve kargaşa kuramı gibi kuantum fenomenlerini kullanırlar. Bu sayede kuantum bilgisayarlar, sıradan bilgisayarların tek başlarına gerçekleştiremeyeceği zorlu işlemleri kolaylıkla yapabilirler.

►İlginizi Çekebilir: Hawking Işıması Nedir? | Kuantum Dersleri

Klasik bilgisayarlarda bilgi bitlerle temsil edilirken, kuantum bilgisayarlar bilgisayar bellek birimi için kuantum bitlerini yani kübitleri kullanır. Kübitler iki durumlu kuantum mekaniği sisteminden oluşmaktadır. Kuantum teorisi bize iki ayrı kuantum durumunun bir parçacık için aynı anda geçerli olabileceğini söylemektedir. Süper pozisyon ve kargaşa kuramı terimlerine bakarsak bu durum bizim için şaşırtıcı olabilir. Fakat bir parçacığın aynı anda farklı durumlarda bulunması durumunu günlük hayatımızda tecrübe etmeyiz. Süper pozisyon, kuantum fiziğinde iki ayrı durumun bir parçacık için aynı anda geçerli olması halidir. Bunu lisede fizik dersinde gördüğümüz çift yarık (Young) deneyinden hatırlayabiliriz. Heisenberg’in belirsizlik ilkesi ile Shördinger‘in kedi paradoksu da bu durumu açıklamaya çalışır. Kargaşa Kuramı diğer isimleriyle kaos kuramı ya da kaos teorisi ise; yapısal olarak bir fizik teorisi ya da matematiksel bir tümevarım değil de fiziksel gerçeklik olan parçalarının bir bütün olarak eğilimini açıklamaya yarayan bir yöntemdir. Kaos kuramı, kuantum bilgisayarların ve onların çıktılarını kolaylıkla görüntülenebilir hale getiren ekranların ortaya çıkmasıyla daha da gelişmiş ve popülerlik kazanmıştır.

Kuantum Fenomenleri Neden Önemlidir?

Karmaşa ve süper pozisyon fenomenleri gelişmiş bilgisayarlar için bize birçok açıdan yarar sağlar. Bu iki fenomen, kuantum bilgisayarların sıradan bilgisayarların asla yapamayacağı büyük ve karmaşık işlemler ve hesaplamaların yapılmasını sağlar. Kuantum bilgisayarlar şaşırtıcı derecede güçlüdür ve bu bilgisayarlar işlem yaparken kullanıcıya sağladığı kapasitenin tamamını kullanmazlar. Klasik bilgisayarlarda bilgi 0’lar ve 1’ler şeklinde temsil edilirken kuantum bilgisayarlarda bilgi temsil etme süreci kuantum fiziği yasalarına göre gerçekleşir yani 1’ler ve 0’lar ya da 0’lar ve 1’ler bilgiyi eş zamanlı temsil edebilirler. Bu süper pozisyon ilkesiyle mümkün olur. Gerçek dünyada 0’lar ve 1’ler le temsil edilen bitler uzayda herhangi bir zamanda dört olası durumda bulunabilirken kuantize edilmiş dünyada bu dört olası durum süperpozisyon ilkesine göre aynı zamanda uzayda gözlemlenebilir.

Bu ilginç ilkeler, zor problemleri çömek için bilgisayarlara büyük bir hesaplama gücü sağlar. Örneğin bir kuantum bilgisayarın Shor Algoritması’nı kullanarak çarpanlara ayırma işlemi yapmasını ele alalım. Shor algoritması iki kısımdan oluşur. Birinci kısım problemi bulunan bir asal çarpandan, fonksiyonun periyodunu bulana kadar değiştirir. İkinci kısımda ise algoritma Fourier dönüşümü kullanarak bir periyot bulur. Problem verilen tam sayının asal çarpanını bulmak için beş adımda değerlendirilebilir.

►İlginizi Çekebilir: Heisenberg Belirsizlik İlkesi

► Rastgele pozitif tam sayılar m<n seçilir ve gcd(m,n) Öklid Algoritması kullanılarak polinomal zamanda hesaplanır. Eğer gcd(m,n) ≠ 1 ise n’in asal çarpanı bulunmuştur ve problem çözülmüştür. Eğer gcd(m, n) = 1 iseikinci adıma geçilir.
► Kuantum bilgisayar dizinin periyodunu (P) bulmak için kullanılır.
► Eğer P bir tek tam sayı olarak bulunduysa birinci adım tekrar edilir, P çift ise 4. adıma geçilir.
► P çift ise periyot sinüsoidaldır.

(m^P^/2- 1)(m^P^/2-1) = m^P- 1 = 0 mod n

Eğer m^P^/2+ 1 = 0 mod n ise 1. Adım tekrarlanır. m^P^/2+ 1 ≠ 0 ise 5. adıma geçilir.

►Son olarak, d = gcd(m^P^/2- 1, n) is Öklid algoritması kullanılarak bulunur.

m^P^/2+ 1 ≠ 0 mod n 4. adımda sağlandığından, d n in bir asal çarpanıdır denilebilir.

Şimdi yukarıdaki adımlar göz önünde bulundurularak n = 91(=7*13) ün Shor Algoritmasıyla nasıl çarpanlarına ayrıldığını gösterelim.

1) m=3 gibi rastgele bir pozitif tam sayı seçtik ve gcd(91,3)=1 dedik.
2) Periyot P ,f(a) = 3^amod 91 şeklinde bulunur.
Kuantum bilgisayar Shor Algoritmasını kullanarak periyodu P=6 şeklinde bulur.
3) Periyot çift tam sayı olduğundan 4. adıma atlanır.
4) Eşitlik 0 mod 91 ‘ e eşit olmadığından 5. adıma geçilir.

3^P^/2+ 1 = 3³+ 1 = 28 ≠ 0 mod 91

5) d = gcd(3^P^/2- 1, 91) = gcd(3³- 1, 91) = gcd(26, 91) = 13

Kuantum bilgisayar kullanılarak yapılan bu hesaplama sonucunda n= 91 in asal çarpanı olan d=13 olarak bulunur.

► Kuantum Bilgisayarların Üretimi ve Kullanımı

D-Wave Systems isimli bir şirket şu sıralar dünyada daha önce hiç yapılmamış en büyük kuantum bilgisayarı yapmaya çalışıyor. Google ve NASA gibi büyük şirketler bu sistemler için D-Wave şirketine 10 milyon doların üzerinde harcama yaptı. Google yapay zeka ve hızlı web aramaları gibi konulardaki optimizasyon problemlerini çözmek için D-Wave’nin sistemini kullanmaktadır. Nasa ise bu sistemi gelişmiş görev planlama, örüntü tanıma ve hava trafik kontrolleri için kullanmaktadır.

Şu an için NASA ve Google D-Wave şirketini kendi kuantum bilgisayar donanımlarını kurmak için kullanmaktadırlar. Yapılan araştırmalar gösteriyor ki şu an kullanılan kuantum bilgisayarlar tam anlamıyla kuantum fiziği ilkelerini barındırmıyor. Klasik bilgisayarlarla karşılaştırıldığında bazı kuantum işlemcilerin 10 kat daha hızlı çalıştığı tespit edildi ama genellikle şu an üretilen kuantum bilgisayarlar klasik bilgisayarlardan 100 kat daha yavaş çalışmaktadır.

128 Kübit süperiletken kuantum işlemci olarak çalışmak üzere tasarlanmış D-Wave Systems Inc. tarafından inşa edilmiş bir çip

Bu değerlendirmeler sonucunda şu an için kuantum bilgisayarların evrensel kuantum bilgisayarlar olarak adlandırılması uzun zaman alacaktır. Kuantum mekaniği ve fiziğinin keşfinden itibaren uzun bir yol katedilsede ilerlemek için de önümüzde uzun bir yol vardır.

Bu teknoloji tıpkı klasik bilgisayarlar gibi ilerleyen zamanlarda hepimizin kullanabileceği hale gelecektir fakat şu an için sadece özel işler için tasarlanıp üretilmektedirler. Şimdilik Google, Nasa gibi büyük şirketlerin özel görevlerinde kullandıkları bu bilgisayarlar her ne kadar zamanını kestiremesek de evrimleşip bizlerin de kullanabileceği halini alacaktır. Bilim ilerledikçe teknoloji de ilerleyecek ve zamanla kuantum bilgisayarlar bile bizim için sıradan makinelere dönüşecektir.