Teknolojide devrim: Kuantum bilgisayarı

Öne Çıkanlar Teknoyaşam
Teknolojide devrim: Kuantum bilgisayarı

Kuantum bilgisayarları ilk olarak 2007 yılında D-Wave Systems şirketi tarafından tasarlanmaya başlandı. Şirket, ilk meyvesi olan “D-Wave One™” kuantum bilgisayarını 2010 yılında üretmeyi başardılar. 2013 yılında “D-Wave Two™”, 2015 yılından “D-Wave 2X™”’i ve son olarak 2017 yılında D-Wave 2000Q™ i ürettiler. D-Wave firmasının teknoloji direktörü Geordie Rose, kuantum bilgisayar araştırma fonu için Google ve NASA’nın 130 milyon dolar bütçe ayırdığını açıkladı. Karşılaştırma yapmak gerekirse yaklaşık olarak 100 adet F-16 uçağının fi yatına eşdeğer bir fi yat. Türkiye’nin sahip olduğu F-16 adedi yaklaşık 270. Şimdilik Google, NASA ve USRA (Uzay Araştırmaları Üniversiteler Birliği) tarafından bilimsel projelerde kullanılıyor.

Kuantum bilgisayar isminden de anlaşılacağı gibi kuantum teorisi mantığı ile çalışan bir bilgisayar. Klasik bilgisayarların çalışma mantığı “0” ve “1” iken ( “var” ya da “yok”) kuantum bilgisayarlar hem “1” hem de “0” değerleriyle ayna anda çalışıyor. Kuantum teorisinde buna süper pozisyon deniliyor. Kuantum bilgisayarlar bu işlemi atomlar, fotonlar ve elektronlar sayesinde yapıyor. Bilinen bilimsel verilere göre atomlar oluşumun yapı taşlarını oluşturuyor. Fotonlar ışık kaynağı ve gün ışığının oluşumundan sorumlu. Elektronlar ise elektrik enerjisi ve manyetik alanlardan sorunlu. Bu noktada günümüz bilgisayarları gözle görülebilen çiplerle çalışırken, kuantum bilgisayarları atom veya parçacık boyutundaki işlemcilerle çalışmakta. Buradan çıkarılan sonuç ise; kuantum bilgisayarları mikroskobik ölçekte ve bu düzeyde çok çok az enerji tüketmekte.

Günümüz bilgisayarlarının “0” ve “1” değerlerini kullanarak çalıştığından bahsetmiştik. Kullandığımız bilgisayarlar için “var” ya da “yok” tek seçenekken, kuantum bilgisayarları için “ve” “veya” gibi seçeneklerde mevcut. Bu noktada kuantum özelliği olan “Spin” konusuna değinmemiz gerekmekte. Bir mıknatısın kuzey ve güney kutbu olmak üzere iki adet manyetik alanı var. Bir iğneyi sivri ucu yukarı gelecek şekilde mıknatısa değdirip iğneyi bıraktığımızda elektronlar mıknatıs üzerindeki manyetik alan çizgileri üzerinde hizalanıyor ve toplu iğnenin sivri ucu yukarı bakar şekilde kalıyor. Buna metal atomlarının spin durumu deniyor.


Bu noktadan sonra sizin müdahaleniz ile toplu iğne döndürülebilir ya da sivri ucu aşağıya bakacak şekilde çevrilebilir. Doğal spin durumunu zorla değiştirmek için bir enerji harcamanız gerekmektedir. Kuantum bilgisayarların çalışma prensibi de elektronların spin durumlarını değiştirmeye dayalıdır. Ne var ki kuantum fi ziğinde, bir parçacığın konumu ve hızı %100 bilinememektedir. (Heisenberg belirsizlik ilkesi) Bir elektrona bakıldığında hangi spin konumunda olacağı öngörülemez. Spin yukarı ya da aşağı olabilir. Süper pozisyon bu olasılık hesabına karşılık gelen oranların tümüne denir. Süper pozisyon durumu için bir elektron %64 olasılıkla spin yukarı ve %36 olasılıkla spin aşağı durumunda olabilir. Kuantum bilgisayarları veriyi spin durumunu değiştirerek yeniden kodlar. Bit kelimesi Binary Digit kelimelerinin kısaltılmış halidir. İngilizcede ikili rakam-sayı anlamına gelmektedir. “1” ve “0” için alacakları değer bir “bit”’tir. Yani %64 olasılıklı spin yukarı, ikilik sistemde “1” e tekabül edip bir bit değerindedir. Aynı şekilde %36 olasılıklı spin aşağı da ikilik sistemde ”0” a tekabül eder ve bir bit değerindedir. Bu bilgiler ışığında kuantum bilgisayarları için “bit” yerine “qubit” terimi kullanılmaktadır. Bir “qubit” iki “bit” değerindedir.

İlk bilgisayar işlemcileri, veriyi tek tek (seri) işlemekteydi. Günümüzde ise 8 işlemciyi beraber çalıştırarak (paralel) işlem yapmak mümkün. 8 işlemcinin yetmediği noktalarda Yüksek Performanslı Bilgisayarlar (HPC) devreye giriyor. HPC’ler büyük araştırmalarda araştırmacıya ekonomik çözüm sunar. Bu sayede çok sayıda bilgisayarın beraber çalışması sayesinde hızlı paralel işlemler kısa sürede gerçekleştirilebilir. Kuantum bilgisayarlar bu bakış açısını çok öteye taşıyarak tek bir işlemci ile çok sayıda paralel işlemi aynı anda yapmaya olanak sağlıyor. Kuantum bilgisayarlar sayesinde her bir işlemcinin tükettiği elektrik ve kapladığı alandan tasarruf edilmiş olunuyor.

Birazda bu teknolojinin problemli taraflarından da bahsetmemiz doğru olacaktır. Süper pozisyonun korunması en büyük sorunlardan biri. Elektronun süper pozisyonda kalması için gereken şey çevre ile etkileşiminin olmaması. Yani, biz elektronun durumuna bakmadığımızda elektron süper pozisyon halindedir. Elektrona bakıldığı anda elektron ya aşağı ya da yukarı spin durumunda olacağından olasılık dalga fonksiyonunun çökmesi söz konusudur. Elektron gerçek bir enerji değeri alır ve “0” ve “1” durumuna döner. Buda 2 bitlik qubit in 1 bit’e çökmesi demektir. Bu noktada kuantum bilgisayarlarının sıradan bilgisayarlardan farkı kalmıyor.

Elektronlar yapısı gereği oda sıcaklığında aktif hareketler sergilerler ve çevreleri ile etkileşim sağlarlar. Bunu engellemek için elektronların bulundukları ortamı soğutmak gerekmektedir. Bu nedenle Kuantum bilgisayarları soğutmak için küçük bir oda boyutunda alana ihtiyaç duyulmaktadır. Bu soğukluğun yaklaşık değeri -273 santigrat derecedir. Bu noktada bir başka problem ortaya çıkmaktadır, elektriğin soğuk ortamda iletilmesi. Bu sorunun çözümü için kullanılan materyal süper iletkenlerdir. Süper iletkenler -181 ile -138 derece sıcaklık arasında sorunsuz iletim sağlarlar. Isı ve iletim problemi çözüldükten sonra geriye elektronları manyetik alanlardan korumak ve yalıtım kalıyor. Manyetik alan parazitlerinden korumak için kuantum bilgisayarlarının dışı kalın bir zırh ile kaplanıyor. Yalıtım için ise boş vakum sistemi kullanılıyor. İşlemciyi saran manyetik alan Dünya’nın manyetik alanının 50 bin kat daha azıdır. Bu son teknoloji ürünün soğutma sistemi sadece 15,5 kW/saat elektrik harcarken ortalama bir süper bilgisayar 4,04 Megawatt elektrik harcamaktadır. Bu denli az elektrik ihtiyacı, bilgisayarların küresel ısınmaya olan etkisini minimize etmektedir.

İnsanın aklına gelecekte evlerimizde kuantum bilgisayarlar kullanılır mı sorusu takılıyor. Maalesef bu mümkün görünmüyor. Kuantum bilgisayarlarının işlemler konusunda bu denli iyiyken grafik işlemlerde kötü. Zaten kuantum bilgisayarları klasik bilgisayarların yerini almak için üretilmiyor.

Ufuk Dikme
İstanbul Kültür Üniversitesi, Destek Grubu Müdürü

Kaynakça 
https://www.dwavesys.com/quantum-computing
http://www.wired.co.uk/article/quantum-computing-explained
https://www.research.ibm.com/ibm-q/learn/what-is-quantum-computing/
http://khosann.com/ 

Bu yazı HBT'nin 82. sayısında yayınlanmıştır.