Mikro Mimari
Kuantum hesaplamalar farklı uygulama alanlarında bizi önemli ölçüde hızlandırabilir. Bu uygulama alanlarından biri, şifrelemede kullanılan algoritmalar arasında yer almaktadır. Örneğin, kuantum hesaplama asal sayıları çarpanlarına ayırma işlemini hızlandırabilmekte. Kimya alanında ise molekül simülasyonlarını hızlandırabilmektedir. Grover algoritmasıyla veri araması yapabilir ve genomikte desen eşleme işlemlerini hızlandırabilirsiniz. Bu algoritmalar klasik ve kuantum işlemlerinin bir karışımından oluşur.
Klasik kısım geleneksel bir işlemci üzerinde yürütülebilirken kuantum kısım kuantum işlemcisinde çalıştırılabilir. Örneğin, Shor algoritması asal sayıları çarpanlarına ayırma konusunda ünlü bir kuantum şifreleme uygulamasıdır. Bu algoritma, en büyük ortak bölen hesaplaması gibi klasik hesaplamaları içerir ki bunlar geleneksel bir işlemci üzerinde verimli bir şekilde yürütülebilir. Kuantum kısmı ise kuantum Fourier dönüşümü veya QFT gibi kuantum işlemlerini içerir ki bunlar kübitler üzerinde çalışmaktadır. Algoritmayı uygulayan başlangıçta insan tarafından okunabilir bir program, farklı derleme adımlarından geçerek ikili kodu üretir. Bu ikili kod, kuantum bilgisayarımız tarafından çözümlenip yürütülebilir.
Mikro mimarinin amacı bu kodu belirli bir şekilde yürütmek ve kuantum ve klasik işlemleri gerçekleştirmek için gerekli olan tüm çalışma zamanı desteğini sağlamaktır. Sonrasında hesaplamanın sonuçlarını veya ölçümleri geri döndürmek de mikro mimarinin önemli görevlerinden biridir. Klasik ve kuantum işlemleri arasındaki ayrımı yapabilmek için bu talimatları uygun boru hattına ayırmakla sorumludur: Klasik talimatları klasik boru hattına kuantum talimatları ise kuantum boru hattına yönlendirir. Bu talimatlar daha sonra çözümlenir veya ana işlemci üzerinde ya da kuantum işlemcide yürütülür.
Mikro mimarinin veya daha spesifik olarak kuantum boru hattının ana görevlerinden biri, kuantum talimatlarını kübitlere gönderebilecek veya uygulayabilecek analog sinyallere çevirmektir. Bu sinyaller mikrodalga darbeleri veya sabit voltaj seviyeleri olabilir. Her kuantum talimatı, talimat önbelleğinden alınır, çözümlenir, yürütme kuyruğuna eklenir ve sayısal-analog dönüştürücü kullanılarak doğru analog sinyale çevrilir. Sayısal kuantum talimatı, mikro kod talimatlarına ve nihayetinde doğru mikrodalga analog sinyale çevrilmelidir.
Kübit ölçümleriyle sonuçları elde etmek oldukça önemlidir. Kübitin durumunu ölçmek aslında süperpozisyonu yok edeceğini unutmamalıyız. Kübitin durumlarının genliği, kübitin belirli bir durumunun ölçülme olasılığını temsil eder. Bu yine kuantum hesaplamanın belirsiz yönünü gösterir. En büyük genlik olsa ve en yüksek ölçülme olasılığını ima etse de aynı algoritmanın birkaç kez çalıştırılması gerekebilir. Her seferinde algoritmanın sonunda ölçüm yapılarak çoğu zaman okunan sonucu içerir.
Ölçüm yapmak için kübit ölçülmeli ve bu sefer kübitten geri aldığımız analog sinyal Sayısal-Analog dönüştürücü kullanarak dönüştürülmelidir. Sonra ölçümün sonucunu ayırt etmek için bir sayısal sinyal işleme algoritması uygulanır. Sonucun 0 veya 1 olup olmadığını belirlemek için ölçüm sonucu bir nihai sonuç veya daha sonraki işlemleri kontrol etmek için kullanılabilen ara bir sonuç olabilir.
Bu ölçüm işlemine yakından ilişkili olan bir diğer konu ise kuantum hata düzeltme ve tespitidir. Kübitlerin kırılgan, hata eğilimli ve çok sınırlı koherans sürelerinin olduğu unutulmamalıdır. Bu nedenle kuantum hata düzeltme, mikro mimarinin kritik bir bileşenidir ve periyodik hata düzeltme döngülerini tetikleme ve hataları düzeltme konusunda özel bir birim görevlidir.
Ölçülen yardımcı kübitlerin ölçümleri alındığında bir çözücü okur, yorumlar ve bir hatanın meydana gelip gelmediğini, düzeltme gerekip gerekmediğini belirler. Kuantum Hata Düzeltme bir kuantum işlemcinin yaptığının 90%’ına kadarının bu aktiviteyle ilgili olduğunu gösteren bazı tahminlere göre mikro mimarinin çok önemli bir işlevselliğidir.
Mikro mimarinin bir diğer önemli bileşeni, kübit adresleme tablosudur. Bu tablo, kübitleri ve konumlarını takip etmemize olanak tanır. Kübitlerin adresleri ve konumları, algoritmadaki her bir kübitin fiziksel adresini güncellemek için kullanılır. Eğer bir kübit bir yerden başka bir yere taşınıyorsa, bu adresleme tablosu kübitleri hareket ettirerek en yakın komşusuna olan mesafeyi mümkün olduğunca yakın hale getirmek için gerekli olan yönlendirme mekanizmalarına yer açmak için kritiktir.
Derleyici ve Programlama Dilleri
Kuantum derleyiciler, soyut kuantum algoritmalarını somut bir forma dönüştürmek için kullanılan önemli araçlardır. Temel olarak bu derleyiciler belirli bir kuantum bilgisayar donanımıyla uyumlu hale getirmek için kuantum algoritmalarının ifadelerini düzenler.
Yakın gelecekteki kuantum donanımının önemli bir kısıtlaması, bağlanabilirlik sorunudur. Her bir kübitin sadece birkaç yakın komşusuyla dolanıklık işlemi gerçekleştirebilmesi, uzun menzilli işlemlerin en yakın komşu işlemlerine ayrılmasını gerektirir. Bu durum algoritmaların performansını etkiler ve işlemlerin daha küçük parçalara bölünmesini zorunlu kılar.
Kuantum algoritmalarının planlanmasında, bağımlılık grafikleri büyük önem taşır. Bu grafikler, işlemleri ve bunların birbirleriyle olan bağımlılıklarını temsil eder. Örneğin B işleminin başlamadan önce A işleminin bitirilmesi gerektiğinde, A sitesinden B sitesine bir bağımlılık oku çizilir.
Sınırlı bağlantıya sahip kuantum donanımlarında işlemleri yürütmek için SWAP işlemleri kullanılır. Bu işlemler, kübitlerin durumlarını bir konumdan diğerine aktarmak için gereklidir.
Kuantum algoritmaları genellikle tek ve çift kübitlik kapılara ayrıştırılması gereken üniter kapıları içerir. Bu ayrıştırma için popüler olan işlem ailesi genellikle {Hadamard (H), Phase (T), CNOT} gibi işlemleri içerir. Bu işlemler, birçok kuantum hata düzeltme kodunda kullanılabilir ve algoritmaların temel yapı taşlarını oluşturur.
Bu işlemler bağlantı ve zaman kısıtlamalarını dikkate alarak çip üzerinde doğrudan yürütülebilecek şekilde planlanmalıdır. Bu adım, algoritmanın donanımın sunduğu imkanlar içerisinde en etkin şekilde çalışmasını sağlar.
Kuantum derleyicilerin bu işlemleri optimize etme ve algoritmaları donanıma en uygun şekilde uyarlama görevi, kuantum bilgisayarların verimliliğini artırmak ve karmaşıklığı azaltmak açısından hayati önem taşır. Bu süreçte derleyicilerin rolü, kuantum bilgisayarların potansiyelini gerçekleştirmekte oldukça büyük bir rol oynamaktadır.
Yazar: İrem Şener
