Kuantum bilgisayar nedir?

Geleneksel bilgisayarlar uzun 0 ve 1 dizilerinden oluşan bitler kullanır. Diğer taraftan kuantum bilgisayarlar kuantum bit yada qubit kullanır. Farkı nedir? Qubit sıfır ve birleri aynı anda iki ayrı durumda kodlar, qubitler kuantum yasalarına göre davrandığı için bu fenomeni kuantum "süperpozisyon (superposition)" ve kuantum dolanıklık (entanglement) başlığında incelemek gerekir.

Süperpozisyon (üstdüşüm? superposition) ve dolanıklık (entanglement)?

Bu tür kavramlar karşısında biraz kafamızın karışması çok normaldir, çünkü gündelik yaşantımızda pek sık karşılaşmayız, ama temelde o kadar da karmaşık değildir. Sadece çok küçük kuantum parçacıklara baktığımızda- atomlar, elektronlar, protonlar ve diğerleri gibi - süperpozisyon (superposition) ve dolanıklık (entanglement) gibi ilginç şeylerle karşılaşırız.

Süperpozisyon (superposition) aslında kuantum sistemin aynı anda birden fazla durumda bulunabilme özelliğidir, yani bir şey aynı anda hem burada, orada, yukarıda ve aşağıda olabilir.

Dolanıklık ( entanglement ) ise kuantum parçacıklar arasında var olan aşırı güçlü bağlantıdır - bu bağlantı o kadar güçlüdür ki, iki yada daha fazla kuantum parçacık birbirinden aralarında büyük mesafeler olacak şekilde ayrılsalar bile mükemmel bir ahenk içinde bağlı kalırlar. Parçacıklar birbirlerine o kadar güçlü bağlıdır ki evrenin iki ucunda bile olsalar mükemmel bir ahenk içinde dans eder şekilde bağlı kalabilirler. Bu imkansız gibi görünen tuhaf bağ Einstein'a dolanıklık ( entanglement ) tanımlaması yapması için ilham kaynağı olmuştur.

Kuantum etkiler neden önemlidir?

Her şeyden önce gerçekten büyüleyici. Üstelik geleceğin bilgi işleme ve iletişim teknolojileri için şimdilik bildiğimiz her şeyden çok daha önemliler. Süperpozisyon ve dolanıklık sayesinde kuantum bilgisayarlar aşırı yüksek miktarda işi eş zamanlı olarak yapabilirler.

Şöyle düşünebiliriz : Normal bilgisayarlar bir ve sıfırları kullanırken, kuantum bilgisayarlar bir ve sıfırları ve aynı zamanda da birin ve sıfırın süperpozisyonunu kullanır. Normal bilgisayarlarla imkansız yada ön görülemez olduğu düşünülen görevleri, kuantum bilgisayarlar çok daha kısa sürede ve verimli şekilde halledebilir.

Biraz daha teknik detayını anlatmak gerekirse : Bilgisayarlar verileri ikili sayı sistemi şeklinde saklarlar, bu da transistör gibi elektronik bileşenlerin içine hapsedilmiş birler ve sıfırlar serisi oluşmasına neden olur. Bilgisayar hafızasının her bir bileşenine bit ismi verilir ve boole cebiri adımları kullanılarak yeniden ayarlanabilir.

"Boolean Cebri: sayısal devrelerin analiz ve tasarımını sağlayan matematiksel teoridir. Sayısal bilgisayar devreleri uygulamasında, ikili değişkenler üzerinde tanımlanan sayısal operasyonları gösterir. Boolean Cebri ikili sayı sistemine dayanır. Bu sistemde yer alan “0” ve “1”, sırasıyla açık (ON) ve kapalı (OFF) devrelerle eş anlamlıdır."

Kuantum bilgisayar, bir ve sıfır şeklinde verileri saklayabilir aynı zamanda verileri bir ve sıfırın kuantum süperpozisyonu durumunda saklayabilir. Buna kuantum bit ( quantum bit ) yada qubit ismi verilir, ve bize ikili sayı sisteminden çok daha fazla esneklik kazandırır. Kuantum bilgisayarlar normal bilgisayarların kapasitesinden çok daha büyük hesaplamalar yapabilir. Kuantum bilgisayarların şimdiden kriptografi ve şifreleme alanlarında ciddi sorunlara yol açabileceği korkusu yerleşmiş görünmektedir. Bazı uzmanlar başarılı ve pratik kuantum bilgisayarların dünyanın finans sisteminin çökmesine neden olmasından korkmaktadır. Günümüzde bilgisayarların şifreleme güvenliği çok büyük sayılara bağlıdır ve bu sayılar normal bilgisayarlarla evrenin yaşam süresi boyunca kırılması mümkün olmayan sayılardır. Fakat kuantum bilgisayarlar bu sayıları mantıklı süreler içerisinde çarpıp hesaplayabilir.

İşleri nasıl hızlandırdığını anlamak için şöyle bir örnek verebiliriz, eğer qubit birin ve sıfırın süperpozisyonundaysa, süperpozisyonda olan başka bir qubit hesaplaması daha yapar, ve bir hesaplama aslında dört sonuç verir: bir tane 1/1, bir tane 1/0, bir tane 0/1 ve bir tane 0/0. Bu da kuantum sistemlerin eş zamanlı olarak birden fazla hesaplama yapabilme yeteneğidir (bilgisayar dünyasında paralel olarak bilinir) buna kuantum paralellik denir.

Kuantum bilgisayarlarda çalışan tam fiziksel mekanizma teorik olarak çok karmaşık ve sezgisel olarak rahatsız edici görünebilir. Genellikle bu durum kuantum fizikte çoklu dünyalar yorumu ( multi-world interpretation ) terimiyle açıklanır, Bir çok qubit kurantum uyumsuzluk durumundayken, kuantum bilgisayar hesaplama yaptığında bu hesaplamalar sadece bizim evrenimizde değil aynı zamanda başka evrende de gerçekleşir. Kulağa tuhaf gelse de fizikçiler çoklu dünyalar yorumu ( multi-world interpretation ) için deneysel sonuçlara uygun ön görüler de bulunmuştur. 

Kuantum bilgisayarlar klasik bilgisayarların yapamadığı neyi yapabilir?

Büyük sayıları çarpmakla başlayabiliriz. İki büyük sayıyı çarpmak günümüzde en basit bilgisayar için bile çok kolay bir işlemdir. Fakat çok büyük sayıların çarpımını yapmak (örneğin 500 haneli) klasik bilgisayarlar için imkansız olduğu düşünülmektedir. Massachusetts Institute of Technology'den ( MIT ) matematikçi Peter Shor, 1994 yılında eğer tam çalışan bir kuantum bilgisayar yapıldığı taktirde bu hesaplamaları yapmanın çok kolay olacağını söylemiştir. 

Ama bu kadar büyük sayıları hesaplamak istemiyorum...

Hiç kimse çok büyük sayıları çarpanlarına ayırmak istemez! Çünkü bu çok zordur - hatta günümüzde var olan en güçlü bilgisayarlar için bile zor bir iştir. İşin gerçeği büyük sayıların çarpanlarına ayırma zorluğu günümüzde kullanılan kriptografinin temellerini oluşturmaktadır. Yani çözümü çok zor olan matematik problemi üzerine kuruludur. Online alışveriş yaptığın zaman kredi kartı numaranı şifrelemek için kullanılan RSA şifreleme tamamen çarpanlara ayırma problemine dayanmaktadır. Alışveriş yaptığın web sayfası kredi kartı bilgilerini şifrelemek için herkes tarafından görülebilen büyük bir anahtar verir.

Bu anahtar aslında satıcı tarafından bilinen çok büyük iki asal sayıdan oluşur. Herhangi birinin kredi kartı bilgilerine ulaşmasının tek yolu bu iki büyük asal sayıyı bilmesinden geçer, o da imkansız olarak kabul edilmektedir çünkü kart bilgilerini koruyan anahtar bu iki büyük asal sayının çarpımından oluşmaktadır. Ancak birileri Peter Shor'un algoritmasını çalıştırabilen bir kuantum bilgisayar yaparsa bu durum değişir.

Bir dakika... yani bir kuantum bilgisayar benim özel bilgilerimi hackleyebilir mi? Bu hiç iyi bir şey değil.

Felaket senaryolarını bir kenara bırakırsak konunun heyecanı kaybolabilir ama aslında endişelenecek bir durum yok. Klasik bilgisayarların kriptografi temelleri kuantum bilgisayar ile sarsılsa da, kuantum mekanik yüksek güvenlikli yeni kriptografi yöntemleri oluşturulmasına imkan sağlamaktadır.

Önce çok sık kullanılan tek kullanımlık şerit ( one-time pad ) ismi verilen kriptografi protokolünü inceleyelim : A ve B kişileri (Abidin ve Bahar diyelim) rastgele sıfır ve birlerden oluşan uzun bir dizi paylaşıyorlar - gizli anahtar. Bu anahtarı bir defa kullanırlarsa ve ikisi dışında başka bilen olmazsa, bir kulak misafirinin deşifre etme tehlikesi olmadan mesaj paylaşımı yapabilirler. Tek kullanımlık şerit işlemindeki gerçek zorluk gizli anahtarın yayımında yatar. Eskiden devletler insanlara içinde rastgele gizli anahtarlarla dolu kitaplar gönderirdi. Bu yöntem tabi ki pratik ve kullanışlı bir yöntem değildir. Kuantum mekanik tam da burada bir kez daha devreye giriyor : Kuantum Anahtar Dağıtma ( Quantum Key Distribution - QKD ) uzak mesafelere tamamen rastgele anahtarların dağıtılmasına imkan sağlıyor.

Kuantum mekanik bu aşırı gizli anahtarları nasıl oluşturuyor?

Kuantum anahtar dağıtma, kuantum mekaniğin bir başka ilginç özelliğine dayanır: Kuantum sistemin dağıttığı her şeyi gözleme ve hesaplama.

Kuantum Bilgisayar Enstitüsü ( Institute for Quantum Computing - IQC ) dünyadaki bir kaç QKD cihazdan birine ev sahipliği yapmaktadır. "Abidin," IQC ana binasında, Waterloo Üniversitesindeki binalardan birisinin çatısındaki lazerden gönderilen dolanık fotonlardan birini alır (aşırı derece bir birine bağlı fotonlar kuantum dolanıklığı hatırlayın). "Bahar," ise enstitünün yakınlarında dolanık fotonun diğer yarısını alır.

Fotonların polarizasyon olarak bilinen özel hesaplanabilir bir özelliği vardır.

Her bir fotonon polarizasyonu rastgele olduğu için her bir fotonon özelliğini bilmenin bir yolu yoktur. Fakat tam burada kuantum dolanıklık ilginç hale gelir: Eğer Abidin ve Bahar aldıkları dolanık fotonların polarizasyon özelliğini hesaplarsa vardıkları sonuç aynı olacaktır. Her bir fotonon polarizasyonuna bağlı olarak, Abidin ve Bahar her aldıkları fotonda "bir" yada "sıfır" elde ederler. Yani eğer Abidin 010110 şeklinde bir dize alırsa, Bahar da 010110 şeklinde bir dize alacaktır. Fakat bir kulak misafiri sinyalin arasına girmeye kalkarsa Abidin ve Bahar bunu anında fark edecek ve elde ettikleri anahtar uyumsuz olacaktır.

Abidin ve Bahar yeterince uzun ve bir birine eş anahtarları oluşturan fotonları almaya devam ederse sonunda şifleri iletişim için aşırı güvenli anahtarı elde etmiş olurlar.

Kuantum dünyadan faydalanmak kodları kırmayı ve yeni kodlar yaratmamıza yarıyor. Peki başka ne işe yarar?

Çok fazla. Örneğin kuantum bilgisayarlar kuantum sistemleri verimli şekilde simüle edebilir, ünlü fizikçiRichard Feynman 1982 yılında bunu önermişti. Kuantum sistemleri simüle etmek, kuantum bilgisayarların zirvesi olacağı söylenir: Atomların ve moleküllerin etkileşimi gibi bize eşsiz detaylarda inceleme ve araştırma imkanı sağlar. Yeni ilaçlar ve oda sıcaklığında çalışabilen süperiletkenler gibi yeni materyaller geliştirme imkanı sağlar. Kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarlardan daha iyi yaptığı işlerden birisi de çözümler uzayında olası en doğru çözümü arama işlemini örnek verebiliriz. Araştırmacılar halen yeni kuantum algoritmalar ve uygulamalar üzerinde çalışmaktadır. Fakat kuantum bilgisayarın gerçek potansiyeli muhtemelen henüz hayal bile edilmemiştir. Lazeri ilk icat edenler muhtemelen, marketlerdeki tarayıcıları, CD okuyucuları, lazer göz ameliyatlarını hayal etmemişti. Benzer olarak gelecekte kuantum bilgisayarların kullanımı hayal gücümüzle sınırlı gibi görünüyor.

Kulağa çok hoş geliyor harika! Kuantum bilgisayarı nereden satın alabilirim?

O kadar aceleci olmamak lazım. Kuantum bilgisayarların potansiyeli teorik olarak gösterilmiş olsa da IQC ve dünyanın her yerinde bilim insanları bu potansiyeli gerçekleştirmek için çalışmaktadır, kuantum bilgisayarların marketlerde yerini almadan önce yapılacak daha çok iş var.

Kuantum bilgisayar yapmak için neye ihtiyaç var?

Basitçe : istediğimiz gibi davranan qubitlere ihtiyacımız var. Bu qubitler fotonlardan, atomlardan, elektronlardan, moleküllerden yada başka şeylerden yapılabilir. IQC'den bilim insanları kuantum bilgisayar için potansiyel olabilecek çok geniş alanda uygun yollar aramaktadır. Fakat qubitleri işlemek çok zordur, küçük bir karışıklık kuantum durumdan çıkmalarına neden olmaktadır. Kararsızlık kuantum bilgisayarın tam olarak Aşil topuğudur, fakat yenilmez değildir. Kuantum hata düzeltme alanı kuantum kararsızlık ve diğer hatalarla mücadele etmenin yollarını aramaktadır. Her gün IQC ve dünyanın değişik yerlerinden bilim insanları işbirliği yapan qubit yapmanın yeni yollarını keşfetmektedir. 

Peki ne zaman gerçek bir kuantum bilgisayar yapılacak?

Yaptığın tanımlamaya bağlı. Şimdiden çalışan kuantum bilgisayarlar var, fakat henüz klasik bilgisayarların yerini alacak yeterli güce sahip değil. IQC ve MIT'de araştırma ekipleri deneyde kullanılan en fazla qubit rekorunu ellerinde tutmaktadır (12). Pratik kuantum teknolojiler kullanılmaya başlansa da - aşırı hassas sensörler, mantıksal sürücüler gibi - klasik bilgisayarları geride bırakacak gerçek kuantum bilgisayarların üretimi için uzun yıllar olduğu tahmin edilmektedir. Teorisyenler kuantum eşevrelilik bozulmasına çözüm üretmek için yeni yollar ararken, deneysel araştırmacılar da kuantum dünya üzerinde kontrolü artıracak yeni teknolojiler ve araçlar geliştirmektedir.

Bu gün yapılan yol açıcı çalışmalar gelmekte olan kuantum çağın yapı taşlarını oluşturmaktadır.

Kaynaklar
http://www.bilimnedir.com/bilim-nedir/kuantum-bilgisayar-nedir
https://uwaterloo.ca/institute-for-quantum-computing/quantum-computing-101