Kuantum bilgisayarı nedir ve nasıl çalışır?

Google geçtiğimiz hafta teknoloji ve bilim dünyasının merakla beklediği bir gelişme olan "kuantum üstünlüğü"ne ulaştığını iddia etti.

Nature dergisinde yayınlanan bir makalede, Amerikalı şirket, Sycamore adını verdiği kuantum bilgisayarın çok zor bir problemi 200 saniyede çözdüğünü ileri sürdü. Google karşılaştırma olarak da halihazırda dünyanın en hızlı klasik bilgisayarının aynı problemi ancak 10 bin yılda çözebileceğini ileri sürdü.

Bahsi geçen bilgisayar ise IBM'e ait olan iki basketbol sahası büyüklüğündeki Summit. Fakat IBM, Google'ın açıklamasına itiraz ederek Summit'in bu problemi 10 bin yılda değil iki buçuk günde çözebileceğini duyurdu.

Aradaki fark Google'ın iddia ettiği gibi dramatik olmasa da teknoloji dünyasını heyecanlandırmaya yetti.

Peki kuantum üstünlüğü ve kuantum bilgisayarı ne demek?

Kuantum üstünlüğü nedir?

Kuantum üstünlüğü ilk olarak Kaliforniya Teknik Üniversitesi (CalTech) profesörlerinden John Preskill tarafından kullanıma sokulan bir ifade. Kuantum üstünlüğü, bir kuantum bilgisayarının klasik bilgisayarların pratik anlamda çözemeyeceği bir problemi çözdüğü anda elde edilmiş oluyor.

Google'ın ilan ettiği gibi bir problemin çözümüne 10 bin yılda ulaşılması aslında pratik anlamda çözülememesi demek. Bu nedenle böyle bir durumda kuantum üstünlüğünün elde edildiğini söylemek mümkün.

Fakat IBM'in söylediği gibi 2,5 gün alması halinde Google'ın bu unvanı yakaladığını söylemek teorik olarak mümkün değil. Yine de 200 saniye ile iki buçuk gün arasındaki muazzam fark teknoloji dünyası için çok önemli bir gelişme.

Bu da klasik bilgisayarlarla kuantum bilgisayarlar arasındaki farkın ne olduğu sorusunu getiriyor.

Kuantum bilgisayarı nasıl çalışır?

Kuantum bilgisayarın nasıl çalıştığına geçmeden önce klasik bilgisayarların çalışma prensibini hatırlamak faydalı olur.

Klasik bilgisayarlar bir devre üzerindeki elektrik akımını anahtarlar yardımıyla açarak ve kapatarak çalışır. Bu anahtarın kapalı ya da açık olması sayesinde oluşturulan sıfır ve birler bilgisayar kodlarının temellerini oluşturur. Kodlamanın bilgi taşıyan en küçük yapıtaşı olan bu sıfır ve birlere bit ismi veriliyor.

Sonuç olarak klasik bilgisayarlar elektriğin fiziksel kanunlarına bağlı olarak çalışıyor ve tüm işlemlerini bu 0 ve 1'ler üzerinden yani elektrik akımının geçip geçmemesi üzerinden yürütüyor.

Kuantum bilgisayarları ise elektrik akımına bağlı olarak çalışmıyor. Onun yerine elektron ve proton gibi atom altı parçacıkların fiziksel özelliklerine dayanan bir sistemle işliyor. Bu sayede klasik bilgisayarlardan çok daha küçük bir alandan ve çok daha büyük bir hızla çalışabiliyorlar.

Kuantum mekaniğinin geçerli olduğu bu sistemlerde klasik bilgisayarlardaki akımın varlığı ve yokluğu gibi kesin tanımlamalar yerine genlikler ele alınıyor çünkü bu maddeler aynı anda hem madde hem de dalga boyu olarak davranabildiği için tek fiziksel bir tanımlama kullanmak mümkün olmuyor. Ayrıca bu parçacıklar aynı anda birden fazla genliğe sahip olabilirken birbirleriyle bağlantılı ya da karşıt durumda da olabiliyorlar.

"Elektronlar doğru rotayı kendileri buluyor"

Klasik fizikçiler atom çeperinde dönen elektronların zamanla çekirdeğe yapışması gerektiğini söylerken Kuantum fizikçiler elektronun çekirdeğe yapışması için çok sayıda yol olmasına rağmen bunların birbirlerini iptal ettiğini savunuyor. Yani Austin Teksas Universitesi Bilgisayar Bilimcilerinden Scott Aaronson elektronların bir bilgisayar gibi diğer tüm olası yolları eleyerek doğru rotayı bulduğunu belirtiyor.

Aaronson bunu "Bir anlamda elektron kendi varoluşsal problemini kendi kendine çözmüş oluyor" sözleriyle ifade ediyor.

Bir kaos gibi görünen bu durum aslında kendi içindeki düzenle maddenin en temel taşlarını oluşturuyor. Kuantum bilgisayarları da bu kaos içindeki düzeni önceden belirlenen bir amaç için manipüle etmeyi hedefliyor. Bilim insanları kuantum bilgisayarını oluşturmak için kuantum hallerini etkileyebilecek donanım üretmeye çalışıyor. Aslında çalışmaların önemli bir kısmı en uygun donanımın nasıl bir şey olduğu üzerinde yapılıyor.

Normal bir bilgisayarda bir bit sadece iki halde olabiliyor, açık ya da kapalı yani bir veya sıfır. Öte yandan 1 kuantum bit, kısa adıyla 'kubit', aynı anda birden fazla durumda olabiliyor. Bu da tek bir kubit'in standart bir bitten çok daha fazla bilgi taşıyabileceği anlamına geliyor.

Kuantum bilgisayarının çok hızlı problem çözme yeteneği özellikle siber güvenlik alanında hem büyük fırsatlar hem de büyük riskler sunuyor. Öte yandan kimya ve ilaç endüstrisinde geliştirme süreçlerini çok hızlandırma potansiyeli de kuantum bilgisayarları ilgi çekici kılan bir diğer alan.

Kuantum teknolojisi henüz yolun başında

Bilim insanları kuantum bilgisayarlarının özellikle optimizasyon problemlerini kolaylaştıracağını düşünüyor. Önünüzde çok alternatifli bir yol olduğunda klasik bilgisayarlar her adımda bir seçeneği deneyerek ilerliyor ve tamamını ele alması bazen çok uzun zaman alabiliyor. Olası yolların tamamını bir anda deneyebilecekleri için kuantum bilgisayarların ise bu süreyi oldukça kısaltacağı tahmin ediliyor.

Ama bu konudaki çalışmalar henüz emekleme aşamasında. Kuantum bilgisayarlarının üretimi oldukça zor ve hatalı sonuç verme ihtimali hala çok yüksek. Ayrıca üretimde kullanılan maddeler de çoğu zaman güvenli değil.

Google'ın açıklaması bir devrim mi?

Bu sorunun cevabı çok net olmamakla birlikte hem evet hem hayır.

Bir kuantum bilgisayarın çalışıyor olması ve problem çözmede kullanılabilmesi bir devrim niteliğinde. Fakat Sycamore pratik manada faydalı olabilecek kadar gelişmiş bir bilgisayar değil. Prototip olarak üretilen bu bilgisayar sadece bir teknolojik kanıt olma özelliği taşıyor. Sycamore sadece 54 kubitle çalışıyor. Genel amaçlı olarak kullanılabilecek bir makinenin ise 1 milyon kubite ihtiyacı olacağı belirtiliyor.

Öte yandan bilim insanları bunu modern havacılığın öncüsü olan Wright Kardeşler'in ilk uçuşuna benzetiyor. Wright kardeşler de ilk uçuş denemelerinde havada fazla kalamamıştı fakat insanlı bir aracın uçabileceğini ispatlayarak modern tarihin en büyük devrimlerinden birinin kapısını aralamıştı.

Bu açıdan ele alındığında Google'ın çalışan bir kuantum bilgisayar ortaya koyması devrim olarak nitelendirilebilir öte yandan eleştirenler Sycamore'un kuantum üstünlüğünü yakalamadan çok uzak olduğunu belirtiyor.