Gündelik hayatımızın her noktasında kullandığımız klasik bilgisayarlar, dijital mantık ve bit kavramı üzerine inşa edilmişlerdir. Bir bit, genellikle 0 veya 1 olarak etiketlenen iki ayrı değerden birini alabilen bir fikir veya bir nesnedir. Bilgisayarlar üzerinde bit kavramı genellikle şarj edilebilen (1) veya yüklenemeyen (0) transistörler tarafından yapılandırılır. Bir bilgisayar, bir dizi bit üzerinde bilgiyi kodlar ve mantık kapıları adı verilen devreleri kullanarak işlemleri gerçekleştirir. Mantık kapıları ise belirli kuralları uygular.
Örneğin, bir OR geçidi giriş olarak iki bit alır ve tek bir değer verir. Girişlerden herhangi biri 1 ise, kapı 1 değerini döndürür. Aksi takdirde, 0 değerini döndürür. İşlemler tamamlandığında, çıktı ile ilgili bilgilerin bitlerden kodu çözülebilir.
Giriş ve çıkış bilgileri bit olarak kodlanabildiği sürece akla gelen hemen hemen her işlemi toplama ve çıkarma, çarpma işlemleri yapan devreler mühendisler tarafından tasarlanabilir hale gelmektedir.
Bu devre tasarımları bizlere, modern bilgisayarlar üretebilmemize giden yolun kapısı açmıştır. Bütün bu gelişim ve süreç hem tüketici pazarında hem de bilim dünyasında bir devrime yol açmıştır. Günümüzdeki modern bilgisayarlar hesaplamaları o kadar hızlı gerçekleştirebilir ki, insanlarla dolu bir oda makineyle yarışta yüzyıllar geride kalabilir. Ancak bazı uygulamalar için bilgisayarlar bile yeterince hızlı değildir. Bazı görevler o kadar zahmetli ki, evrenin tüm yaşı göz önüne alındığında bile bilgisayarlar bunu yapamazlar.
Bir bilgisayarın bizlere sağladığı en büyük kazanç, hesaplamaları hızlı yapmamıza olanak sağlamasıdır. Hesaplamanın hızı; iki ana faktör tarafından belirlenir:
- Belirli bir zaman aralığında bitler üzerinde kaç işlem yapılabileceğini belirleyen işlemci,
- Hesaplamanın doğasında bulunan: onu gerçekleştirmek için bitler üzerinde işlem yapabilecek, optimize edilmiş algoritmalara sahip olmak,
Hesaplama işleminde bir görev mümkün olduğunca az adımda tamamlanmak istenir. Bunu çoğunlukla sağlayabiliyoruz, ancak bazı sorunlar var!
Örneğin tamsayı ayrıştırma gibi bazı görevlerin en karmaşık sürümlerinin bile çok büyük miktarda işlemin tamamlanmasını gerektirmesidir. Bunlar, en iyi bilgisayarlarda bile milyarlarca yıl alabilecek görevlerdir.
Bu sorun büyük ölçüde 0 veya 1 durumunda olmaya zorlanan bitlerin sınırlamalarından kaynaklanmaktadır. Bu,bilgi birimlerine neler yapabileceğiniz konusunda kısıtlamalar getirir. Ancak kuantum bilgisayarlar daha farklı çalışma mekanikleri dolayısıyla bitlerin, durumların üst üste bindirilmesi imkanını tanır. Bitin kuantum karşılığı olan kübit (kuantum bit) de iki değere sahip olabilir, | 0> ve | 1> (buna bra-ket notasyonu denir ve Paul Dirac tarafından tanıtılmıştır).
Klasik bitlerde olduğu gibi, bilim insanlarıve mühendisler kübitler üzerinde işlem yapan kuantum kapıları tasarlamışlardır. Kübitler üzerinde operasyonlar yürüten devreler geliştirmişlerdir.
Kuantum bilgisayarlar, kübitleri ve kuantum kapıları ile yukarıda bahsedilen bu çok zahmetli sorunların bazıları için idealdir. Kübitler, süper pozisyon sayesinde daha fazla özgürlüğe sahiptir ve kuantum dolanıklık nedeniyle birbirlerine bağlanabilir. Sonuç olarak, kuantum mantık kapıları, kübitler üzerinde farklı işlemler gerçekleştirebilir ve daha da önemlisi, daha geniş bir çıktı aralığına neden olabilir. Bu, algoritma tasarımcılarına istenen sonuçlara ulaşmak için alternatif yollar sağlar ve bu da son derece daha verimli olabilir. Aradaki fark o kadar önemlidir ki, yeterli kübit ile klasik bilgisayarlardaki milyar yıllık işlemler kuantum cihazlarda günler veya saatler sürebilir.
Kuantum Hesaplama
Kuantum hesaplama hala başlangıç aşamasındadır, ancak onlarca biti destekleyen bazı cihazlar şu anda mevcuttur. Kayda değer miktarda araştırma çabası bu kapasitelerin geliştirilmesine adanmıştır. Son zamanlarda IBM, mühendislik ve bilimin inanılmaz bir başarısı olan 50 kübit kuantum bilgisayarını açıkladı. Kuantum bilgisayarlar yüz kübit derecesine ulaştığında, insanlık benzeri görülmemiş bir hesaplama gücüyle donatılmış olacaktır. Bu kulağa harika geliyor ve öyle. Ancak, iki ucu keskin bir kılıçtır.
Birçok siber güvenlik tekniği, klasik bilgisayarların belirli görevleri uygulanabilir zamanlarda yerine getirememesine dayanır ve bu da onları aşmayı denemeyi zorlaştırır. Klasik olarak çözülemeyen bu görevler, kuantum bilgisayarlar kullanılarak çok daha verimli hale getirilebilen görevleri içerir
Kriptografi gerçekten şu an için olmasa da kuantum bilgisayarların tehdidi altındadır ve bununla birlikte internet bankacılığı, kredi kartı işlemleri, e-posta, sohbet hizmetleri ve daha fazlası gibi modern araçlar da. Hayatımızı kolaylaştıran internet altyapısının sürekli hayatta kalmasını sağlamak için yeni şifreleme teknikleri ve çözümlerine ihtiyaç duyulmaktadır.
Bütün bu farklılar klasik fizik ve kuantum fiziğinin uygulamalarının yansımalarıdır. Tabi ki, farklılık bunlarla kalmamaktadır.
Klasik Bilgisayarlar vs Kuantum Bilgisayarlar
Aşağıdaki tablo aracılığıyla klasik bilgisayarlar ve kuantum bilgisayarlar arasındaki farklıları keşfedebilirsiniz:
| Klasik Bilgisayar | Kuantum Bilgisayar |
|---|---|
| Büyük ölçekli entegre ve çok amaçlıdır | Kuantum mekaniğine dayalı olduğu için yüksek hızlı ve paraleldir |
| Bilgi depolaması bit tabanlıdır ve voltaj/şarj ile sağlanır | Bilgi depolaması, elektronun spin yönüne göre kuantum bittir. |
| Değeri 0 veya 1 olan bitlerde çalışır | Kuantum bitleri veya “kübitler” ile çalışır. Ancak çok daha karmaşık bilgiler tutabilir ve negatif değerlere olabilirler. |
| Olası olası durum sayısı: 0 veya 1’dir. Deterministik: aynı girdi üzerinde tekrarlanan hesaplamalar aynı çıktıya yol açacaktır | Sonsuz sayıda olası duruma sahiptir. Olasılıksal: üst üste binmiş durumların ölçümleri daha sonra 0 veya 1’e indirilmiş olasılıklı cevaplar verir |
| NOT, AND, OR vb. gibi bilgi işleme mantık kapıları ile çalışır | Bilgi işleme, kuantum mantık kapıları tarafından paralel olarak gerçekleştirilir |
| Devre davranışı klasik fizik tarafından yönetilir. | Devre davranışı kuantum fiziği tarafından yönetilir. |
| İşlemler Boolean Cebiri ile tanımlanır | İşlemler, Hilbert Space üzerinde lineer cebir ile tanımlanır ve karmaşık elemanlara sahip birimsel matrisler ile temsil edilebilir |
| Sadece özel olarak tanımlanmış sonuçlar mevcuttur, bir algoritmanın tasarımı ile doğal olarak sınırlıdır | Kuantum cevapları olasılıksaldır. Süper pozisyon ve kuantum girişim nedeniyle belirli bir hesaplamada birden fazla olası cevap dikkate alınır |
| Devreler CMOS gibi hızlı, ölçeklenebilir ve makroskopik teknolojilerde kolayca uygulanır | Devrelerde yavaş, kırılgan ve şu anda henüz ölçeklendirilebilen mikroskopik teknolojiler kullanmalıdır; NMR |
| Sinyal kopyalama veya ölçme konusunda herhangi bir kısıtlama yoktur | Birkaç kısıtlamaya sahiptirler |
Yoruma kapalı.