Einstein, kuantum fiziği için şöyle demiştir: “Bu teori bana biraz aşırı zeki bir paranoyağın, tutarsız düşünce unsurlarıyla uydurduğu kurmaca bir sistemi hatırlatıyor.” Bunun üzerine, kuantum mekaniğinin tamamlanmamış bir teori olduğunu savunma amaçlı çalışmaları ile her defasında ilginç bir şekilde kuantum mekaniğinin doğru olduğunu ortaya koyan sonuçlarla karşılaşmıştır. Ölümüne yakın zamanlarda bile kuantum mekaniğine kuşkulu bir düşünce yapısı ile hayata gözlerini yuman Einstein’ın aslında şüpheci olmakta haklı olduğu da söylenebilir. Bugün klasik fizikte, kütle, enerji, hız ve momentum gibi ölçülebilir olan nicelikler, kuantum mekaniğinde matematiksel işlemcilere dönüşüyor. Bunu anlamak bir hayli güç olsa da ölçülebilir her nicelik, kuantum mekaniğinde birer matematiksel işlemci ile tanımlanıyor.
Kuantum mekaniği, parçacıkların sahip olduğu süperpozisyon, dolanıklık, kopyalanma gibi özellikler sayesinde klasik mekanikten ayrılır. Ama bu bir diğerinin yanlış veya eksik olduğunu göstermez. Klasik mekanik de kuantum mekaniği de kendi perspektifinde doğrudur. Kuantum mekaniğinin sahip olduğu bu özellikler sayesinde, bilginin işlenmesi, depolanması ve iletilmesi yeni bir boyut kazanmıştır.
Kuantum üstünlüğünden faydalanarak kuantum bilgi işleme alanında her geçen gün yeni çalışmalar duymaktayız. Son zamanlarda klasik bilgisayarlar ile gerçekleştirilen yapay zeka algoritmalarının kuantum bilgi işlemeye dayalı versiyonları üzerine çalışmaların da sayısı artmaktadır. Peki, tek bir atomun manipülasyonu ve çevre ile etkileşiminden kaynaklanan zorluklar mevcutken, kuantum bilgi işlemenin klasik bilgi işlemeden daha üstün olmasını nasıl anlayabiliyor ve test edebiliyoruz?
Kuantum bilgi işlemede bilgi kübit ya da daha üst seviyeli kuantum sistemlere kodlanır. Ardından kuantum kapıları, bilginin kodlandığı kübitlerin değişimlerini sağlar. Bu süreç yapılmak istenen işlemin algoritmasına göre değişiklik gösterir. Ancak buradaki esas, kuantum kapılarının süperpozisyon durumundaki girişlere etki ederek aynı anda tüm olasılıklar üzerinden işlem yapabilmesidir.
Yukarıda girişi 0 durumu olarak kodlanmış rastgele tek girişli bir devre görülmektedir. Bu durumun üzerine Hadamard kapısı uygulandıktan sonra sistem %50 olasılıklara sahip iki olası duruma dönüşür. Ardından uygulanan X kapısı hem 0’a hem de 1’e aynı anda etki ederek her ikisini de tersine çevirir. Oysa klasik bilgi işleme de X kapısı bu işlemi iki adımda gerçekleştirebilir. Önce 0’ı 1, sonra 1’i 0 yapar. Bu tek girişli devrede bile kuantum bilgi işlemede paralelliğin (eş zamanlı) örneği görülmektedir.
Kuantum devrelerinde girişler sütun matrisleri ile temsil edilirler. Örneğin 5 girişli kübit tabanlı bir devrede girişi temsil eden matris 32 x 1 boyutlu bir sütun matrisidir. Ardından bu giriş durumuna etki edecek her kuantum kapısı da matrisler ile temsil edilir. Örneğin 5 girişli bir devrede girişlerden sadece birine bile bir kuantum kapısı uygulansa bu kapı tensör çarpımı ile 32 x 32 lik bir kare matrisine dönüştürülerek giriş üzerine etki eder.
Sadece 5 girişli bir kuantum devresi için bile bu boyutlardaki matrislerle uğraşmak çok zor iken giriş sayısının artması ile bu değerler üssel olarak artmaktadır. 30 kübit girişli bir kuantum devresinin girişi 1073741824 x 1 boyutlu bir sütun matrisi ile temsil edilir. Kapı matrisleri de bu değerin karesi ile. Sadece ard arda uygulanacak birkaç kapı olduğunda bu işlemi el yordamı ile yapmak neredeyse imkansıza yakındır.
Hal böyleyken çoklu girişe sahip devreleri kurup çalıştırmayı nasıl başarıyoruz? Bu konuda imdadımıza klasik bilgisayarlar ve programlama dilleri yetişiyor. Bu programları kullanarak kuantum kapılarını temsil eden matrisleri tanımlayıp devre işleyişini belirleyebiliriz. Bilgisayarlar, bu işlemleri arka planda hızlı bir şekilde gerçekleştirir.
Gerçek bir kuantum bilgisayarı, kuantum algoritmalarını gerçekleştiren devreleri sonuca ulaştıracak şekilde elektromanyetik dalgalar göndererek kuantum hesaplama işlemini gerçekleştirecektir. Ancak gerçek bir kuantum bilgisayarına ulaşmak henüz uzak bir hedef gibi görünüyor ve bu multidisipliner bir konudur ve dünya genelinde büyük araştırma fonları bu konuya ayrılmaktadır.
Kuantum bilgi işlemede devreler tasarlayıp bunları test etmek amacıyla birkaç simülasyon programı bulunmaktadır. Bu programlar, yüksek boyutlu matris işlemlerini kolaylaştırarak kuantum devre tasarımları ve analizleri yapmanıza yardımcı olur. Aşağıda bazı kuantum hesaplama simülatörleri listelenmiştir:
- Qiskit: IBM tarafından geliştirilen açık kaynaklı bir kuantum hesaplama çerçevesidir. Python tabanlıdır ve kuantum devrelerini tasarlamak, simüle etmek ve çalıştırmak için kullanılır.
- Cirq: Google tarafından geliştirilen bir kuantum hesaplama çerçevesidir. Python dilini temel alır ve kuantum devrelerini oluşturmak ve simüle etmek için kullanılır.
- QuTiP: Quantum Toolbox in Python (QuTiP), açık kaynaklı bir Python kütüphanesidir ve kuantum mekaniği ve kuantum bilgisayar simülasyonları için kullanılır. Kuantum işlemcilerin simülasyonunu yapabilir.
- Microsoft Quantum Development Kit: Microsoft’un kuantum hesaplama geliştirme kitidir. Q# adında özel bir programlama dilini kullanır ve kuantum simülasyonları için araçlar sunar.
- Pennylane: Kuantum bilgisayarlar ve kuantum hesaplama ile ilgili bir açık kaynaklı yazılım platformudur. Pennylane, kuantum devreleri tasarlamanıza, optimize etmenize ve simüle etmenize olanak tanır. Python tabanlı bir kütüphanedir ve kuantum makineleri ile etkileşim kurmanıza ve çeşitli kuantum algoritmalarını çalıştırmanıza yardımcı olur. Pennylane, kuantum hesaplama alanında araştırma yapmak ve geliştirmek isteyenler için güçlü bir araçtır. Bu platform, açık kaynaklıdır ve sürekli olarak geliştirilmektedir, bu nedenle kuantum bilgisayarlarla ilgili çalışmalarınız için kullanabilirsiniz.
Görüldüğü gibi, kuantum bilgi işlemeye ilgi duyanlar için çeşitli açık kaynaklı simülasyon araçları mevcuttur. Bu araçlar, kuantum devrelerini tasarlamak, simüle etmek ve analiz etmek için kullanışlıdır ve kuantum bilgi işleme konusundaki çalışmalarınıza katkıda bulunabilir
Yazar: Murat Kurt
Redaktör: Uzay Nağme Oruz
