Kuantum Bilgisayarı Nedir?

Dr. Özlem Salehi Köken

Şu sıralar kuantum bilgisayarlarından çokça bahseder olduk. Geçtiğimiz birkaç aydan beri Google ve IBM gibi iki büyük firmanın arasındaki rekabetin alevlenmesiyle kuantum bilgisayarları sıkça karşımıza çıkmaya başladı. Gelin bu yazıda kuantum bilgisayarı nedir anlamaya çalışalım.

Bunun için önce klasik diye adlandırdığımız alışageldiğimiz bilgisayarlar nasıl çalışıyor, onu anlamalıyız. Bilgisayarlar bilgi işleyen makinelerdir. Bilginin en küçük birimine bit denir. 1 bit kullanarak 2 farklı durumu ifade edebilirsiniz: evet veya hayır, açık veya kapalı, 1 veya 0 gibi. Size bir soru sorulduğunda lambayı açıp kapatarak karşınızdakine 1 bit bilgi aktarabilirsiniz. 2 bit ile 4 farklı durumu 00, 01, 10, 11 olarak kodlayabilir, N bit ile 2ⁿ durumdan birini ifade edebilirsiniz.

Bilgiyi bilgisayara nasıl aktaracağız?

Bilgisayarların içinde az önce verdiğimiz örnekteki lamba görevini gören milyarlarca transistör vardır. Transistörler voltaj farkına göre açık (1) veya kapalı (0) durumlarından birindedirler. Biz klavyeden e tuşuna bastığımızda, 011000101 dizisine karşılık gelecek şekilde bir dizi elektrik sinyali göndererek transistörlerin açılıp kapanmasını sağlarız. Yani teorik olarak milyarlarca lamba kullanarak bir bilgisayar inşa edebilirsiniz.

Lamba veya transistör yerine elektron kullanabilir miyiz? Elektronların spin adını verdiğimiz bir özelliği vardır ve bir elektron aşağı spin (0) veya yukarı spin (1) durumlarından birinde bulunabilir. O halde elektronlarla bilgi kodlayabilir ve transistör yerine elektronla çalışan bir bilgisayar yapabiliriz. İşin kuantum kısmı işte burada devreye giriyor. Elektronun spini 0 veya 1 değil, bir miktar olasılıkla 0, bir miktar olasılıkla 1 olabilir. Elektron gibi küçük parçacıklarda gözlemlenen bu duruma süperpozisyon deniyor. Gözlem adını verdiğimiz bir müdahale sonrasında, olasılık dağılımına göre elektron 0 veya 1 durumlarından birinde bulunuyor. İşte kuantum bilgisayarları süperpozisyon ve burada bahsetmediğimiz dolaşıklık, girişim gibi fizik prensiplerini kullanarak çalışan, olasılıksal hesaplamalar yapan bilgisayarlardır.

Kuantum bilgi birimine qubit diyoruz. 1 bit kesin olarak 0 veya 1 iken, artık 1 qubitin 0 veya 1 olma olasılıklarından söz etmeliyiz. 2 qubitli bir sistem 00, 01, 10, 11 durumlarının her birinde belirli olasılıklarla bulunabileceğinden 4 olasılık değeri söz konusudur. N qubitli bir sistemde işler daha da karmaşıklaşıyor, 2ⁿ olasılık devreye giriyor. Yani, qubitler bitlere göre bir nevi daha fazla bilgi barındırıyorlar.

Süperpozisyon ilkesinin gündelik hayatımızda tam bir karşılığı yoktur. Aynı anda hem işte, hem de sinemada olmanız mümkün değildir ama olsa hiç fena olmazdı değil mi? Acaba qubitlerin bu özelliğinden faydalanarak daha güçlü bilgisayarlar yapabilir miyiz?

Diyelim ki 8 tane kapalı kapı ve bu kapılardan birinin arkasında sizi bekleyen bir hediye var. Doğru kapıyı bulmak için kapıları tek tek denemekten başka pek bir şansınız yoktur. Şanssız gününüzdeyseniz doğru kapıyı bulmak için 8 deneme yapmanız gerekebilir. Gelin aynı problemi kuantum dünyasında çözelim. 3 qubitiniz varsa 8 kapının her birini eşit olasılıkla açtığınız bir süperpozisyon yaratabilirsiniz. Bu hemen doğru kapıyı bulduğunuz anlamına gelmiyor. Çünkü şu an gözlem yaparsanız kapılardan herhangi birini görme olasılığınız eşit. Doğru kapının gözlemlenme olasılığını artırırken yanlış kapının gözlemlenme olasılığını düşürmenin bir yolunu bulabilirsek, gözlem yaptığımız anda yüksek olasılıkla doğru kapıyı görürüz. Grover’ın kuantum arama algoritması tam olarak bunu yapar ve 8 kapı varsa 2 adımda bizi doğru sonuca götürür. Kuantum hesaplamanın klasik hesaplamaya göre nasıl avantaj sağladığının güzel bir uygulamasıdır.

Amacı problemleri daha verimli çözebilmek

Şu an gelinen noktada teorik olarak kuantum bilgisayarlarıyla pek çok problem için daha hızlı çözümler biliniyorken, pratikte üretilen kuantum bilgisayarlarının ideal şekilde çalışmaması bu çözümlerin uygulanabilirliğini engellemektedir. Örneğin bu bilgisayarlar bahsi geçen kuantum prensiplerinin gözlemlenmesi için çok düşük sıcaklıklarda tutulmalı, hesaplamalar çok kısa sürede gerçekleşmelidir. Kuantum bilgisayarlarının çalıştırılması kadar yapılması da zordur. Geçtiğimiz yıl Google 72 qubitlik bilgisayarını tanıtırken, kimi şifreleme yöntemlerini kıracağı düşünülen Shor algoritmasının yeterince büyük bir sayıyı asal çarpanlarına ayırması için binlerce qubit gereklidir.

Bitirirken, kuantum bilgisayarlarının kişisel bilgisayarlarımızın yerini almasının söz konusu olmadığını vurgulamakta fayda var. Kuantum hesaplamanın amacı bazı problemleri klasik bilgisayarlara göre daha verimli bir şekilde çözebilmektir. Yine de alışageldiğimiz hesaplama düzeninin dışına çıkarak farklı prensiplere dayanan hesaplamalar yapmak ve üstelik alışageldiğimiz hesaplama yöntemleriyle çözüldüğünde cevabı görmeye ömrümüzün yetmeyeceği kimi problemlerin, kuantum bilgisayarlarıyla kısa sürede çözülebildiğini bilmek heyecan verici. Yakın dönemde, kuantum âleminde yaşanacak pek çok önemli gelişmeye tanıklık edecekmişiz gibi görünüyor.