Kuantum hesaplama, matematiksel problemleri çözer ve kuantum teorisinin ilkelerini kullanarak kuantum modellerini çalıştırır. Modellemek için kullandığı kuantum sistemlerinden bazıları fotosentez, süperiletkenlik ve karmaşık moleküler oluşumları içerir. Fakat kuantum hesaplamayı ve nasıl çalıştığını anlamak için önce kübitleri, süperpozisyonu, dolanıklık ve kuantum girişimini anlamanız gerekir.
Kuantum Bilişim (Quantum Computing) Nedir?
1. Qubit
Kuantum bitleri veya kübitler, kuantum hesaplamadaki temel bilgi birimidir. Geleneksel bilgi işlemdeki geleneksel bir ikili bit gibidir. Qubit’ler, aynı anda birden fazla durumda olmak için süperpozisyonu kullanır. İkili bitler yalnızca 0 veya 1’i temsil edebilirken qubitler 0 veya 1 olabilir ve her iki durumun süperpozisyonunda 0 ve 1’in herhangi bir parçası olabilir.
2. Superposition (Süperpozisyon)
Basitçe ifade etmek gerekirse kuantum süperpozisyonu, kuantum parçacıklarının tüm olası durumlarının bir kombinasyonunun olduğu bir moddur. Kuantum bilgisayar her parçacığı ölçer ve gözlemlerken parçacıklar dalgalanmaya ve hareket etmeye devam eder. Geleneksel bir bilgisayar gibi görevleri sırayla gerçekleştirmek zorunda kalmak yerine kuantum bilgisayarlar çok sayıda paralel hesaplama çalıştırabilir.
3. Entanglement (Dolanıklık)
Kuantum parçacıkları, ölçümleri birbirleriyle uyumlu hale getirebilir. Bu duruma girdiklerinde buna dolanıklık denir. Dolanıklık sırasında diğer birimler hakkında sonuçlara ulaşmak için bir kübitten alınan ölçümler kullanılabilir. Dolanıklık, kuantum bilgisayarların daha büyük sorunları çözmesine ve daha büyük veri ve bilgi depolarını hesaplamasına yardımcı olur.
4. Girişim
Kübitler süperpozisyonu deneyimledikçe, doğal olarak kuantum girişimini de deneyimleyebilir. Girişim, kübitlerin herhangi bir sebeple çökme olasılığıdır. Girişim olasılığı nedeniyle, kuantum bilgisayarlar bunu azaltmak ve doğru sonuçlar sağlamak için çalışır.
Çoğu bilgisayar bilimci, kuantum bilgisayarların hesaplanabilirlik açısından klasik bilgisayarlara göre hiçbir ek avantaj sağlamayacağını düşünmektedir. Başka bir deyişle, klasik bir bilgisayar teknik olarak bir kuantum bilgisayarla aynı hesaplamaları yapabilir, ancak bunu yapmak için gereken zaman ve hesaplama gücü pratik olarak kullanışlı değildir.
Kuantum hesaplama, karmaşık hesaplamalar konusunda üstünlük sağlasa da; masaüstü uygulamaları, e-posta vb. çalıştırmak gibi basit ve günlük bilgi işlem görevleri söz konusu olduğunda klasik hesaplamadan farklı bir şey yapmaz.
Çoğu uzman, kuantum hesaplamanın ana akım haline gelmesinin en az 20 yıl uzakta olduğunu tahmin etse de, 2030 yılına kadar ilk ticari kuantum bilgisayarın ortaya çıkacağı tahmin edilmektedir. Kuantum bilgisayarların piyasaya çıkması önemlidir, çünkü kuantum bilgisayar piyasaya sürüldüğünde, potansiyel olarak kriptografi ve blok zinciri gibi bir dizi kritik teknolojiyi modası geçmiş hale getirecektir. Başka bir deyişle, mevcut siber güvenlik yöntemleri ortadan kalkacaktır.
Bulutistan hizmetlerinin detaylarına ulaşmak için tıklayınız.
Kuantum Bilgisayarlara Neden İhtiyaç Duyarız?
Bilim adamları ve mühendisler, zorlu sorunları çözmek için süper bilgisayarlar kullanır. Bunlar, binlerce CPU ve GPU çekirdeğine sahip son derece güçlü geleneksel bilgisayarlardır. Ancak süper bilgisayarlar bile bazı sorunları çözmekte zorlanır. Bir süper bilgisayar hesaplamayı yapamazsa, büyük olasılıkla yüksek düzeyde karmaşıklığa sahip bir sorunu ele alması istendiği içindir. Ancak, karmaşıklık, geleneksel bilgisayarlarda genellikle başarısızlığın nedenidir.
Tam da bu noktada diğer klasik bilgisayarlardan veya süper bilgisayarlardan çok daha karmaşık sorunları çok daha kolay ve hızlı bir şekilde ele almak için tasarlanmış kuantum bilgisayarlar kullanılabilir.
Kuantum Hesaplama Nasıl Çalışır?
Kuantum devre hesaplama sistemleri, ikili kod yerine hesaplama yapmak için kübitler, açık, kapalı veya aralarında herhangi bir değer olabilen bilgi işlem birimleri kullanır. Qubit’ler, ölçülene kadar aynı anda birden fazla durumda var olmak ve iki bit değerinde veriyi tutmak için süperpozisyon ve dolanıklık gibi kuantum mekanik kavramlarını kullanır.
Detaylandırmak gerekirse, günümüz bilgisayarları 0 ile 255 arasındaki herhangi bir sayıyı temsil etmek için sekiz bit kullanırken, bir kuantum bilgisayar aynı anda 0 ile 255 arasındaki her sayıyı temsil etmek için sekiz kübit kullanabilir. Bu yetenek, kuantum hesaplama sistemlerinin geleneksel bilgisayarlardan çok daha hızlı hesaplamalar yapmasını ve verileri işlemesini sağlar.
Donanım söz konusu olduğunda, çoğu kuantum hesaplama sistemi 5 bileşenden oluşur:
Kuantum veri düzlemi: Kuantum hesaplamanın temel donanımı, kübitlerin fiziksel olarak bulunduğu yerdir.
Kontrol ve ölçüm düzlemi: Qubit modellerindeki görevleri gerekli kısıtlamalarla tamamlar.
Kontrol işlemcisi düzlemi: Derlenmiş kodu kontrol ve ölçüm katmanı için komutlara dönüştürür.
Kuantum modülü Ara Bağlantısı – Quantum module Interconnect (QuIC’ler): Kuantum durumlarının belirli iki fiziksel serbestlik derecesi (maddi, elektromanyetik, vb.) arasında transferine izin veren veya daha geniş anlamda bir kuantum sistemini klasik olana bağlayan cihazlar veya işlemlerdir.
Ana bilgisayar işlemcisi: Ağlara, büyük depolama dizilerine ve kullanıcı arayüzlerine erişimi yöneten klasik bir bilgisayardır.
Kuantum hesaplama genellikle aşağıda listelediğimiz bu sistemlere güç veren 3 tip atom altı kavramla ifade edilir, fakat bunların inanılmaz derecede karmaşık bilimsel kavramlar olduğunu ve aşağıdaki tanımların büyük ölçüde basitleştirilmiş olduğunu unutmayın.
Süperpozisyon – Bir kuantum sisteminin ölçülene kadar aynı anda birden fazla durumda olma yeteneğidir. “Schrödinger’in Kedisi” olarak bilinen düşünce deneyi, bu kavramı hem akademik ortamlarda hem de popüler kültürde göstermek için sıklıkla kullanılır.
Dolanıklık – Dolanıklık, iki bağımsız nesnenin davranışının bağlantılı olduğu kuantum mekaniksel bir olgudur. İki kübit birbirine dolandığında, bir kübitte yapılan değişiklikler diğerini doğrudan etkiler. Kuantum algoritmaları, zor sorunları çözmek için bu bağlantılardan yararlanır.
Kuantum Tünelleme – Parçacıkların görünüşte kırılmaz enerji bariyerlerinden geçtiği bir ışınlanma olgusudur. Paralel hesaplamaları etkinleştirerek güç tüketimini potansiyel olarak 100 – 1000 kat azaltır.
Kuantum algoritması nedir?
Kuantum algoritması, bir kuantum bilgisayarda yürütülebilen herhangi bir algoritmadır. Kuantum algoritmaları, bir temel fark dışında klasik hesaplama algoritmalarına benzer: Adımlardan en az biri belirgin bir şekilde “kuantum” olmalıdır (yani üst üste binme veya dolanıklık kullamalıdır).
Aşağıdakiler dahil olmak üzere çeşitli kuantum algoritmaları vardır:
- Fourier dönüşümü tabanlı kuantum algoritmaları
- Genlik amplifikasyonu tabanlı kuantum algoritmaları
- Kuantum tabanlı algoritma
- Hibrit kuantum/klasik algoritmalar
Kuantum Hesaplamanın Kullanım Alanları
Kuantum hesaplama hala erken geliştirme aşamalarında olduğundan, bir gün neler yapabileceği hakkında birçok fikir vardır. Hatta bazı insanlar, kuantum bilgisayarların paralel evrenlere girmek ve hatta zaman yolculuğunu simüle etmek için kullanılacağını öne sürmektedir.
Bu olasılıklar tam olarak göz ardı edilemese de, önümüzdeki birkaç yılda gerçekleştirilebilecek daha gerçekçi kuantum hesaplama uygulamaları aşağıdaki şekildedir:
1. Yapay Zeka ve Makine Öğrenimi
Yapay zeka ve makine öğrenimi, neredeyse fütüristik görünen ancak yıllar geçtikçe daha da gelişen iki teknolojidir. Bu yüzden bu teknolojiler geliştikçe standart bilgisayarlardan vazgeçmemiz gerekebilir. Kuantum bilgisayarların, işlevleri işleme ve hesaplamaları hızlı bir şekilde çözme konusundaki geniş potansiyelleriyle devreye girebileceği yer burasıdır.
2. Siber Güvenlik
Bugün, siber suçlar endişe verici derecede yaygındır ve her ay binlerce insanı hedeflenmektedir. Siber suçlar daha karmaşık hale geldikçe, yüksek düzeyde siber güvenliğe olan ihtiyacımız da artmaktadır. Bu noktada kuantum hesaplamayı kullanarak, bir gün en karmaşık saldırılarla bile başa çıkabilen yüksek dereceli siber güvenlik protokollerini daha kolay geliştirilebilir. Kuantum hesaplama ayrıca, özellikle kuantum kriptografisi olarak bilinen bir alanda, kriptografiye yardım etme potansiyeline de sahiptir.
3. İlaç Geliştirme
Kuantum bilgisayarların durumların sonucunu tahmin etme yeteneği, onları ilaç geliştirmede de etkili hale getirebilir. Bir kuantum bilgisayar, belirli moleküllerin belirli senaryolarda nasıl davrandığını tahmin etmeye yardımcı olabilir. Örneğin, bir kuantum bilgisayar, bir ilacın bir kişinin vücudundaki tepkisini tahmin edebilir. Bu yüksek araştırma düzeyi, ilaç geliştirmenin deneme yanılma sürecini çok daha kolay hale getirebilir.
Kuantum Bilişimin Avantajları Nelerdir?
Kuantum hesaplamanın bir numaralı potansiyel avantajı hızdır. Örneğin Google, hala geliştirilmekte olan kuantum bilgisayarının dünyanın en hızlı süper bilgisayarından yaklaşık 158 milyon kat daha hızlı performans gösterdiğini iddia etmektedir. Ayrıca dünyanın en güçlü süper bilgisayarı IBM Summit’in 10.000 yılda hesaplayabileceği kadar karmaşık bir hesaplamayı sadece 200 saniyede gerçekleştirmektedir.
Kübitler paralel olarak çalışabildiğinden, kuantum bilgisayarlar, veri işleme söz konusu olduğunda, klasik yöntemlerden önemli ölçüde daha fazla verimlidir. Aslında, modern klasik süper bilgisayarlar ortalama olarak 1-10 megawatt arasında güç kullanırken, çoğu kuantum bilgisayar, çoğu soğutmaya giden sadece 25 kilowatt güç gerektirir. Tabii ki gelecekte, teknoloji geliştikçe daha da az enerji gerektirecektir.
Kuantum bilgisayarların nasıl kullanılacağını %100 kesin olarak söylemek imkansız olsa da, genel olarak aşağıdaki bu 4 alanda geleneksel yöntemlerden önemli ölçüde daha iyi performans gösterecekleri ileri sürülmektedir:
1. Optimizasyon
Steroidler üzerinde birden fazla uygun seçenek arasından en iyi çözümü veya süreci belirlemek için büyük veri kümelerini analiz eden geleneksel optimizasyon algoritmalarını düşünün. Tedarik zinciri lojistiği, üretim operasyonları ve rota planlaması, QC’nin dönüşümsel sonuçlar sunabileceği alanlardan sadece birkaçıdır. Örneğin Volkswagen, Lizbon’daki büyük bir konferans sırasında trafik akışlarını optimize etmek için kuantum bilgisayarları kullanmıştır.
2. Simülasyon
Dijital ikiz, temelde bir ürünün veya sürecin nasıl performans göstereceğini tahmin edebilen simülasyonlar oluşturmak için gerçek dünya verilerini kullanan bir bilgisayar programıdır. Kuantum bilgisayarların sadece dijital ikizleri geleneksel yöntemlerden daha hızlı ve daha verimli bir şekilde oluşturabilmesi değil, aynı zamanda önemli ölçüde daha büyük ve daha karmaşık sistemlerin modellenmesine olanak sağlaması da mümkündür. Örneğin, bir kuantum bilgisayar moleküler davranışı daha iyi simüle edebilir ve ilaç şirketlerinin ilaçları daha hızlı ve daha etkili bir şekilde geliştirmesini ve test etmesini sağlayabilir.
3. Kriptografi
Çoğu geleneksel kriptografik algoritmanın dayandığı matematiksel işlemler, yeterince güçlü bir kuantum bilgisayarla kolayca kırılabilir. Kuantum kriptografisi, verileri şifrelemek ve kuantum bilgisayar tarafından hacklenemeyecek şekilde iletmek için kuantum mekaniğinin ilkelerini kullanır.
4. Yapay Zeka ve Makine Öğrenimi
Kuantum hesaplamanın daha akıllı yapay zeka algoritmalarına yol açıp açmayacağı hala bir tartışma konusu olsa da, kuantum hesaplama en azından hız ve verimlilik açısından AI performansını artırabilir. IBM, kuantum makine öğrenimi için bir kuantum avantajının matematiksel kanıtını bulduğunu iddia etmektedir, ancak bu bulgulara yönelik çok sayıda uyarı vardır.
Kuantum Hesaplamanın Dezavantajları Nelerdir?
Kuantum bilgisayarların genellikle iklim değişikliğinden kansere kadar her şeye sihirli bir çözüm olduğu iddia edilse de, kuantum hesaplamalarının bu alanlara uygulanması, teknoloji hala teorik olduğu için hiç kimse kuantum bilgisayarın ne için kullanılabileceğini veya kullanılması gerektiğini kesin olarak söyleyemez.
Kuantum hesaplama, mevcut gelişme hızında yalnızca çok dar kullanım durumları için uygundur. Aynı zamanda klasik hesaplama yöntemlerinin kuantumunkini aşarak evrimleşmesi de mümkündür.
Şu an itibariyle, mevcut kuantum bilgisayarların mühendisliği, inşası ve programlanması son derece zordur (ayrıca pahalı). Ayrıca oldukça hassastırlar; sıcaklık dalgalanmaları ve toz gibi küçük etkenler bile kübitler gibi parçacıkların kuantum özelliklerini kaybettiği, uyumsuzluk olarak bilinen bir süreci tetikleyebilir. Bu, sistemin hata üretmesine veya tamamen çökmesine neden olur.
Kuantum Bilişimle İlgili Endişeler
Kuantum bilgisayarlar daha yüksek düzeyde dijital güvenlik elde edilmesine yardımcı olsa da, işler tam tersi şekilde de ilerleyebilir. Bu tehdit şu anda varsayımsal olsa da, önümüzdeki yıllarda, özellikle de kuantum bilgisayarların daha geniş nüfus için erişilebilir hale gelmesi durumunda, bir soruna dönüşme ihtimali de vardır. Bazı şirketler şimdiden bu beklentiyle “quantum-proof VPN” hizmetleri sunmaktadır.
Kuantum bilgisayarlar son derece karmaşık sorunları çözebildiğinden, daha etkili şifre kırma ve veri şifre çözme potansiyelleri vardır. Süper bilgisayarlar bile büyük şifre çözme anahtarları bulmakta zorlanırken, kuantum bilgisayarlar bir gün hassas verilerin şifresini kolayca çözme yeteneğine sahip olabilir ve bu da bilgisayar korsanlarının işlerini daha kolay hale getirebilir.
Bulutistan hizmetlerinin detaylarına ulaşmak için tıklayınız.
Kuantum Bilişime Yatırım Yapan Şirketler
Önemli mühendislik zorluklarına rağmen birçok şirket kuantum hesaplama ile ilgili ilerlemeler kaydetmektedir. Endüstrinin yakın zamanda 1 trilyon dolara kadar büyüyebileceği düşünülünce, önümüzdeki günlerde daha fazla şirketin bu alana girmesi mümkündür.
Fakat şu an sektörün en önemli isimleri kimlerdir? Aşağıdaki listede bu sorunun cevabını bulabilirsiniz:
1. IBM
Uzun süredir kuantum hesaplamanın öncüsü olan IBM, Kasım 2021’de 100’den fazla operasyonel ve bağlantılı kübit içerecek şekilde tasarlanmış “Eagle” adlı yeni bir kuantum işlemci oluşturduğunu duyurdu. “Eagle”, IBM’in 2020’de tanıttığı 65 kübitlik “Hummingbird” işlemcisini ve 2019’da tanıttığı 27 kübit’lik “Falcon” işlemcisini takip etmektedir. Şirket ayrıca 2023’te ilk 1000 kübitlik kuantum bilgisayarını da piyasaya sürmeyi planlıyor.
Ayrıca kuantum araştırmasını ilerletmek için Kuantum Ağı’nı 2017’de başlatan IBM, birlikte çalıştığı Fortune 500 şirketleri, akademik kurumlar, girişimler ve ulusal araştırma laboratuvarlarından oluşan bir topluluk olarak tanımlanan IBM’in QN’sine dahil olan 170’den fazla ortaklık kuruluşuyla kuantum teknolojisine erişim sağlamaktadır.
LG, Daimler, Boeing ve Goldman Sachs gibi şirketler ağa çoktan katıldılar ve kuantum hesaplama için pratik kullanım örnekleri geliştirme sürecindeler.
2. Alphabet/Google
Google’daki araştırmacılar, Stanford, Princeton ve diğer üniversitelerdeki fizikçilerle birlikte Google’ın kuantum bilgisayarını maddenin “zaman kristali” olarak bilinen yeni bir evresini oluşturmak için kullandıklarını iddia ediyorlar. Onlara göre zaman kristali, parçaları düzenli, tekrar eden bir döngü içinde hareket eden ve bu sabit değişimi herhangi bir enerji yakmadan sürdüren bir nesnedir. Yani termodinamiğin ikinci yasasından kaçınırlar.
3. IonQ
Ağustos 2021’de halka açılan ilk kuantum girişimi olan IonQ, Yeniden Yapılandırılabilir Çok Çekirdekli Kuantum Mimarisini (RMQA) tanıttı. IonQ, tek bir çip üzerinde üç basamaklı kübit sayısını artırmanın temelini attığına inanıyor.
4. Quantinuum
20201’de Honeywell Quantum Solutions ve Cambridge Quantum, kuantum makinelerinin daha az kübit ile daha önemli hesaplamalar yapmasını sağlayan çığır açan bir algoritmaya, gerçek zamanlı hata düzeltmesini gösterirken 1.024 kuantum hacmine ulaşmayı başardı. Bu başarının ardından, Kasım 2021’de iki şirket, Quantenuum adında yeni bir firma oluşturmak için birleşeceklerini duyurdu.
Özetle diyebiliriz ki, kuantum bilişimin sunduğu olanaklar inanılmazdır ve bu olanaklar bir gün ulaşılabilir olacaktır. Kuantum hesaplama hala erken aşamalarında olsa da, bu alanda devam eden gelişmeler insanlığı büyük teknolojik başarılara götürebilir.
