Kuantum Hesaplama Nedir?

Kuantum hesaplama, atom ve atom altı parçacıkların gizemli dünyasından ilham alan devrim niteliğinde bir teknolojidir. Klasik bilgisayarların işleyiş prensiplerinden temelde farklı olan bu yeni yaklaşım, bilgisayar bilimlerinde ve matematikte yeni bir çağın kapılarını aralamaktadır. Kuantum mekaniği yasalarına dayanan bu hesaplama modeli, geleneksel bilgisayarların erişemediği hız ve verimlilikte işlem yapma potansiyeline sahiptir.

Kuantum hesaplama, atom ve atom altı düzeylerde meydana gelen, sezgisel olarak açıklanamayan sorunları çözmeyi mümkün kılan bir matematiksel modele dayanır. Bu model, kuantum bilgisayarların geleneksel bilgisayarlardan çok daha hızlı işlem yapmasını sağlar. Özellikle sağlık sektöründe ve ilaç geliştirme gibi alanlarda, doğal dünyada kuantum mekaniklerinin etkilediği süreçleri daha doğru ve gerçekçi bir şekilde simüle edebilir. Bu bağlamda, kuantum bilgisayarlar modern hesaplama problemlerinde yeni ufuklar açmaktadır.

Kuantum Bilgisayarlar 

Kuantum bilgisayarlara erişim günümüzde sadece laboratuvar ortamlarında mümkündür. En yaygın kuantum bilgisayar türlerinden biri olan süperiletken kübitli sistemler, diğer kuantum bilgisayar türleri arasında (fotonik, iyon ve NMR kübitleri gibi) oldukça popülerdir. Bu bilgisayarlarda, zor kontrol edilen atom ve atom altı parçacıkların yerine, daha kolay manipüle edilen, süperiletken metallerle hazırlanan yapay atomlar kullanılır. Süperiletken kübitlerin etkin şekilde kullanılabilmesi için, dirençlerinin mümkün olan en düşük seviyeye indirilmesi gereklidir. Süperiletken kübitli bir kuantum işlemcinin direncinin az olması neredeyse mutlak sıfır derecede bir ortamda tutulmasını gerektirir. Bu koşullar ise ancak laboratuvar ortamında sağlanabilir. Aşağıdaki görsel, tavana asılı duran bir süperiletken kübitli kuantum bilgisayarını göstermektedir. Bu bilgisayarın büyük bir bölümünü, işlemciyi soğuk tutmak için gerekli olan soğutma sistemi kaplamaktadır.

Kuantum Bit

"Bit", klasik bilgisayarların ve geleneksel bilgi işlemenin temel birimi olarak bilinir. Klasik bilgisayarlarda bitler, elektriğin varlığı veya yokluğunu temsil eden 1 veya 0 değerlerine karşılık gelir ve bu bitler üzerinden hesaplamalar gerçekleştirilir. Çok sayıda bit kullanılarak, büyük boyutlu tam sayılar üzerinde işlemler yapılabilir.

Öte yandan, kuantum hesaplama "kuantum bit" veya "kübit" adı verilen bir kavrama dayanır. Klasik bilgisayarlardaki gibi yalnızca 1 veya 0 değerlerini almak yerine, bir kübit hem 1, hem 0, hem de bu iki durumun vektörel uzaydaki süperpozisyonu olarak adlandırılan bir ara değere sahip olabilir.

Mikroskobik düzeyde, nesnelerin davranışları makroskopik dünyamızdaki gibi net değildir ve kuantum hesaplama bu gerçeğe dayanır. Atom altı dünyada, elektronlar veya fotonlar gibi nesneler aynı anda birden fazla durumda bulunabilir, bu da "süperpozisyon" olarak adlandırılır. İşte süperpozisyon, kuantum bilgisayarların, hem 0 hem de 1 değerlerini aynı anda alabilen kübitlerle çalışmasını mümkün kılar.

Fizikçi Erwin Schrödinger, süperpozisyon fikrinden yola çıkarak bir kedinin gözlem yapılmadığı sürece hem ölü hem de canlı olabileceğini öne süren meşhur "Schrödinger'in Kedisi" düşünce deneyini geliştirmiştir.

Kuantum Bitlerinde Süperpozisyon

Kuantum bitleri ya da kübitler, klasik bilgisayarlardaki bitlerin aksine, hem 0 hem de 1 değerlerini aynı anda tutabilirler. Kübitlerin bu iki durumu aynı anda barındırabilmesine "süperpozisyon durumu" demiştik. Bu durumu daha iyi görselleştirmek adına aşağıda 0, 1 ve süperpozisyon durumunu soldan sağa doğru Bloch küreleri şeklinde paylaştık: 

Bir kuantum bilgisayarı, kuantum ilkelerine göre çalışır. Kuantum ilkeleri arasında süperpozisyon dışında, dolanıklık ve eş fazlılığın kaybolması gibi terimler de yer alır.

Dolanıklık

Kuantum dolanıklığı, iki sistemin, aralarındaki mesafe ne kadar uzak olursa olsun, birbirleri ile bilgi alışverişi yapacak kadar güçlü bir bağlantı oluşturduğu bir fenomendir. Kuantum işlemciler bu özellikten yararlanmak için bir parçacığı ölçerek diğer parçacık hakkında sonuçlar çıkarabilirler. Örneğin, bir kübitin belirli bir yönde dönmesi durumunda, diğer kübitin dönme yönünü de anında belirleyebilirler. Kuantum dolanıklığı, kuantum bilgisayarların karmaşık problemleri klasik bilgisayarlara göre daha hızlı çözmesine olanak tanır.

Bir kuantum durumu ölçüldüğünde, dalga fonksiyonu çöker ve kübitin durumu 0 ya da 1 olarak belirlenir. Bu durumda, kübit klasik bir bit gibi davranır. Dolanıklık, kübitlerin durumlarının diğer kübitlerle bağlantılı olabilmesi yeteneğidir.

Eş Fazlılığın Kaybolması

Bu durum, bir kübitin kuantum durumunun zayıflaması veya kaybolması sürecidir. Radyasyon gibi çevresel faktörler, kübitlerin kuantum durumunun çökmesine yol açabilir. Bir kuantum bilgisayarı tasarlamanın mühendislik açısından en zor yanlarından biri, kübitleri dış etkenlerden koruyacak özel yapılar geliştirmek ve böylece eş fazlılığının kaybolmasını geciktirmeye yönelik çeşitli önlemler almaktır.

Kuantum Bilgisayarların Potansiyel Kullanım Alanları Neler Olacak?

Kuantum bilgisayarların kimya, biyoloji ve tıp gibi alanlarda önemli vaatleri bulunmaktadır. Örneğin, yeni ilaçlar geliştirmek için moleküler sistemlerin bilgisayar üzerinde simüle edilmesi hayati öneme sahiptir. Moleküllerin kuantum mekaniksel özelliklerine bağlı olarak, geleneksel bilgisayarlar bu simülasyonlarda zorlanmaktadır. Daha önce de belirtildiği gibi, bir kuantum sistemi ne kadar karmaşıksa, onu tanımlamak için gerekli veri miktarı da o kadar artar ve bu da etkili hesaplamaları engeller. Klasik bilgisayarlar küçük moleküllerle bile başarısız olurken, kuantum bilgisayarlar bu kuantum dinamiklerini verimli bir şekilde simüle edebilir.

Kuantum bilgisayarlar kriptografiyi de kökten değiştirebilir. Bir kuantum durumunun gözlemlenmesi onu değiştirdiğinden, mesajın dinlenip dinlenmediğini belirlemek için kuantum mekaniklerinden yararlanılabilir. Bu yetenek, şifreleme anahtarlarının (mesajları şifrelemek ve deşifrelemek için kullanılan dizilerin) güvenli bir şekilde paylaşılmasını sağlar ve herhangi bir müdahale anında bildirimde bulunur. Bu yöntemin pratik uygulamaları 2007 yılında, Cenevre'deki bir seçimde oyların transferinin güvenliğini sağlamak için kullanılarak ortaya çıkmıştır. 

Ayrıca, kimya, malzeme bilimi, finans ve üretim dahil olmak üzere birçok pratik problem, kombinasyon/permütasyon problemleri olarak ele alınabilir. Klasik bilgisayarlar genellikle, muhtemel permütasyonların sayısının çok fazla olması nedeniyle bu problemleri çözemez ve her olasılığın sırayla değerlendirilmesi binlerce veya milyonlarca yıl alabilir. Kuantum hesaplamanın potansiyel uygulamaları siber güvenlik, malzeme ve ilaç sektörü, bankacılık/finans ve üretim olmak üzere dört sektörde kendini göstermeye devam edecektir. Kuantum bilgisayarlar, atom altı parçacıkların süperpozisyon ve dolanıklık gibi özelliklerini kullanarak, klasik bilgisayarların sınırlarının ötesinde daha karmaşık hesaplamaları mümkün kılmaktadır.