Image for post
D-Wave’deki görece yeni kuantum işlemcinin bir fotoğrafı

Sürekli Feynman’a atfedilen ve “bence kuantum mekaniğini kimse anlamıyor” minvalinde dile getirilen ünlü bir alıntı vardır fizik camiasında kuantum mekaniğiyle alakalı neredeyse her sunumun bir yerlerinde kullanılan. Peki kuantum mekaniği madem bu kadar kimsenin anlamadığı, büyülü, gizemli bir ‘şey’ mi cidden diye soracak olursak yanıt elbette ki hayır. Bu işten çok iyi anlayan, anladıklarını uygulamaya dökebilen, bu uygulamalardan cihazlar yapıp patentler alan, hatta refah düzeyimizi arttıran pek çok insan var. Örneğin hastanelerde kullandığımız MR cihazları kuantum mekaniksel süreçleri çözebilmemizin bir ürünü olarak varlar. Benzer şekilde şu an bu satırları okuduğunuz bilgisayar veya akıllı telefon da. Ancak madem bilgisayarın var olabilmesi için kuantum mekaniğinin bize kattıklarını kullanıyoruz, o zaman kuantum bilgisayar ne ola ki?

Kuantum XYZ

Öncelikle her şeyin başına kuantum konulmasının kulak tırmalamanın ötesinde olayları mistifize etme etkisi olduğunu da bildiğimizden biraz konuyu açmakta fayda var. Misal kuantum düşünce, kuantum terapi, kuantum yoga gibi kullanımlar aslında yalnızca ilgi çekmek amaçlı, aslında içeriğinde yeni çağ zırvalıkları dışında bir anlam ifade etmeyen kurgular. Klasik düşünceyle kuantum düşüncenin, klasik terapiyle kuantum terapinin, klasik yogayla kuantum yoganın farklarını düşünecek olursanız olayın kuantumdan ziyade “ben istediğim için böyle oldu”culuk ve “5000 dolara Nepal seyahati” düzleminde işlediğini görmek mümkün.

O zaman bir şeyin başına kuantum kelimesini getirmenin anlamı nedir? Kuantum mekaniğinin klasik mekanikten ayrıldığı temel bazı noktalar vardır. Örneğin bir fiziksel sistemin yalnızca kısıtlı sayıdaki özelliğine aynı anda erişebilirsiniz (klasik mekanikte tüm özellikleri aynı anda bilebilirsiniz). Başka bir örnek olarak süperpozisyon durumu bir parçacığın ölçülene kadar belirli bir halde olmama ihtimalini doğurur (Schrödinger’in kedisi). Bir diğer örnek ise kuantum dolanıklık sayesinde klasik mekanik kuramıyla açıklanamayacak korelasyonların varlığıdır (bu kuantum düşüncecilerin en çok kullandıkları ve hiçbirinin anlamadığı veya anlamaya tenezzül etmedikleri meseledir).

Kuantum bilgisayar dediğimizde işte tam olarak yukarıdaki özellikleri kullanan bir bilgisayardan bahsedilir. Normal bilgisayarların 0 ve 1 halleri transistor hallerine karşılık gelir, kapalıysa 0 açıksa 1 gibi. Ancak aslında olası iki durumdan birisini alan herhangi bir cihazla bilgisayar yapabilirsiniz. Mesela bir sürü bozuk paranız olsun, turaya 0 yazıya 1 diyelim. Eğer elinizde 7.200.000.000 tane bozuk paranız olsaydı Intel Broadwell-EP Xeon’la yarışan bir hesap gücünüz olabilirdi (tabi bu 7.200.000.000 tane bozuk parayı saniyede 2.200.000.000 kere havaya atıp tutup sonuçlarını ölçebiliyor olmanız gerekirdi). Örneğin 0110100001100001011110010110010001101001 şeklindeki bir dizilim ASCII ikili dilinde size “haydi” kelimesini verecektir, eğer 0100100001100001011110010110010001101001 yaparsanız bu da size “Haydi” kelimesini verir. 8 bitlik (yani art arda 8 tane 1 veya 0) bir kod size 2 üzeri 8’den toplam 256 farklı olasılık sunar.

Elimizde bir kuantum bilgisayar olsun ve süperpozisyon prensibini kullandığımızı düşünelim. Bu durumda elinizdeki bozuk paralardan bazıları yüzde 50 ihtimalle sıfır yüzde 50 ihtimalle bir olsunlar. Ekrana “Haydi” yazmakla “haydi” yazmak arasındaki tek farkın da üçüncü bit değerinin 0 mı 1 mi olduğuna bağlı olduğunu görmek mümkün (kalan hepsi aynı). Dolayısıyla tek bir qubit (quantum bit)’le ve 39 klasik bit’le 40 bitlik ‘(H/h)aydi’ kelimesini yazabilirsiniz. Bilgisayarınız bu işlemi yaptığı süreçlerin yarısında size “Haydi” diğer yarısındaysa “haydi” sonucunu verir. Ve artık bir kuantum bilgisayarınız var, yalnızca tek bir harfin büyük mü küçük mü olduğunu kontrol edebiliyor ama olsun!

Kuantum Kodlama

Yukarıda anlattığımız sürecin aynısını ‘bozuk’ bir transistör artı 39 sağlam transistörle de elde edemez miydik? Tam olarak değil, zira kuantum mekaniğinin bize sağladığı güzelliklerden bir tanesi olasılık dağılımlarını neredeyse tamamen bilebilmemizi sağlamasıdır. Bozuk bir transistörün kaç seferin kaçında 0 veya 1 vereceğini bilemeyiz ama kuantum mekaniksel ölçüm alan bir qubitlik sistem eğer 0’la 1’in yarı yarıya dağıldığı bir süperpozisyon halindeyse sonuçların da yarı yarıya geleceğini biliriz (ki bunu elde etmek kolaydır, Stern Gerlach deneyi buna güzel bir örnektir).

Elbette yukarıdaki gibi tek bir qubit çok işinize yaramaz. Şu anda dünya üzerindeki en güçlü kuantum ‘bilgisayar’ ise 17 qubitle IBM Q’nun sunduğu alettir. 17 qubit pek güçlü değil gibi görünse dahi (ki değil) 17 bit’lik bir sisteme göre çok çok daha geniş bir olasılıklar kümesine sahiptir. Kuantum bilgisayarların gerçek gücünün geldiği nokta da işte burada yatar, paralel hesaplama*. Elinizde yüzde elli ihtimalle Haydi veya haydi yazabilecek bir sistem olduğunu söylemiştik, şimdi bunu 17 tane olasılığa yayalım. Elinizde bir metinde 17 harfi değiştirebilecek bir sistem var, bunu kullanarak aynı sayfada olası kaç farklı hikaye anlatabilirsiniz? Eğer bu 17 harf belirli harflerse yine imkanlarınız kısıtlanır ancak ya bitlerinizi kaydırma imkanınız da olsaydı? Elinize bir kitap alın ve 17 harfini değiştirerek bir sayfanın anlamını ne kadar değiştirebileceğinizi bir düşünün.

Bu değişimler yalnızca ölçüm aldığınızda karşınıza çıkacaktır, peki ya ölçüm almazsak? Ölçüm almamış iseniz elinizde o 17 değişikliğin sağlayabileceği tüm yeni anlam kümesi bir süperpozisyon halinde bekliyor olacaktır. Yani elinizde 2 üzeri 17 olası farklı sonuç olacaktır, fakat siz ölçüm aldığınız an bunlardan yalnızca birisi karşınızda çıkacaktır ve karşınıza çıkan rastgele olarak bu 2 üzeri 17’den bir tanesi olacaktır. Aslında çok da işimize yarayan bir sistem değil gibi durmakta, neden bize kafasına göre sonuç veren bir bilgisayar isteyelim ki? İşte bu soru kuantum kodlama denilen alanın gerçek önemine vurgu yapıyor.

Kuantum kodlama dediğimizde kuantum mekaniksel özellikleri kullanan qubitlerin kodlama aracılığıyla iş yarar hale getirilmesinden bahsediyoruz denilebilir. Yukarıdaki hikayede bize kafasına göre farklı farklı sayfalar veren bir kitap garip ve belki biraz etkileyici olması dışında anlamsızdır. Eğer Kindle’ınız size bunu yapsa kaldırır çöpe atarsınız ya da tamire verirsiniz bozuk diye. Peki ya bu sistemi örneğin şifre kırmak için kullanıyor olsaydınız? Öyle bir sistem düşünün ki elinizdeki 2 üzeri 17 farklı seçeneği bazı fiziksel süreçlerle irdeliyor (örneğin enerji düzeyleri gibi) ve istenilen sonucun en olası sonuç olması yönünde müdahalede bulunuyor (quantum annealing denen yöntem biraz böyle çalışıyor, D-Wave bunu kullanıyor). Elbette her seferinde istediğiniz sonucu yine vermiyor ancak 1 bölü 2 üzeri 17 gibi astronomik düşük bir olasılıkla değil çok daha yüksek bir ihtimalle istediğiniz sonuç çıkıyor. Bu da size zaman olarak milyonlarca kat hızlanma şeklinde dönüyor.

Bunların dışında mevcut algoritmalar veritabanı araması yapıp istenilen sonucu getirme, şifre kırma, sayıları çarpanlarına ayırma gibi işlemleri klasik bilgisayarlara göre daha hızlı yapabiliyor. Fakat henüz kuantum kodlama yeni bir alan olduğu ve yalnızca bilgisayar mühendisliği değil yüksek de bir kuantum mekaniği bilgisi gerektirdiği için muhtemelen en işimize yarayacak algoritmaların bulunmasına daha yıllar var. Bu süreçte ise elimizdeki kısıtlı algoritmalar dahi Microsoft’tan Google’a, NASA’dan IBM’e pek çok devasa kurum ve firmanın ilgisini çekmiş durumda ve yüz milyonlarca dolar yatırımla bu alana girmelerini sağlayacak kadar motivasyon sebebi.

Toparlarsak

Bir kavramın başına kuantum getirilmesi onun klasik mekanikte olmayan, kuantum mekaniğine has ve avantaj sağlayıcı özellikleri kullanabilmesiyle alakalıdır. Bu bağlamda kuantum bilgisayar dediğimizde gündelik hayatımızdaki klasik ikili kodlama sistemiyle çalışan bilgisayarların ‘büyülü’ hallerini değil de kuantum mekaniğinin etkileri kullanılarak ele alınan qubit’lerle çalışan versiyonlarını düşünmek gerekir. Klasik bit yerine qubit kullanmak mevcut olarak çok maliyetli (para, emek, ar-ge…) bir iş olduğundan henüz küçük sayılarda qubitlerden oluşan kuantum işlemcilerle idare eden araçlara sahibiz. Ancak bu araçlar dahi bize geleceğe dair, şu an yapmamıza imkan olmayan fakat gelecekte olanaklı kılınacak hesaplama türlerine dair bazı fikirler verebilir. Yeteri kadar büyük oyuncuların da alana dahil olması ve IBM Q’nun da satışa çıkmasıyla ciddi kuantum bilgisayarların 2050 gibi tahmin edilen ‘geliş’ tarihlerinin 2030’lara çekilmiş olduğu yoğun biçimde dile getirilmeye başlanmış durumda. Bu ise henüz kuantum kodlama ve olanakların ortaya çıkarılması konusunda çok erken bir evrede olduğumuz inancını kırmaya başlamış bulunuyor. Hatta sırf bu alan üzerine uzmanlaşan profesyonel start-up’lar dahi ortaya çıkmaya başlıyor. Artık kuantum bilgisayarları bir fantezi ya da bilim kurgu ögesi olarak değil de 10–15 seneye hayatımıza girmiş olacak olan teknolojik bir gerçeklik olarak ele alma vaktiyse çokta geldi de geçiyor bile.

*aslında kuantum bilgisayarın yaptığına klasik anlamda bir paralel hesaplama denemez.

Bu içeri orijinal olarak Düzensiz.org üzerinde yayınlamıştır.

Bu içeriği paylaş
Zeki Seskir

Bunları da beğenebilirsiniz

Kuantum Bilişim

Kuantum Kriptografi

Güvenli veri aktarımına olanak veren geleneksel kriptografi yöntemleri, simetrik ve asimetrik olarak sınıflandırılmaktadır. ...

Yorum Yap

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir