Prof. Dr. Fuat İnce | 'Kuantum Bilgisayar' nedir ve nasıl çalışır?

Prof. Dr. Fuat İnce ABC Gazetesi için yazdı...

Nature dergisinde 23 Ekim 2019‘da yayınlanan makalede, Google firması kuantum bilgisayar üstünlüğü sağladıklarını açıkladı. Açıklamaya göre günümüzün klasik bilgisayarlarıyla 10 bin yıl sürecek bir problemi Google kuantum bilgisayarı 200 saniyede çözmüştü. Bu alanda çalışan diğer büyük bir firma olan IBM, bunun öyle büyük bir başarı olmadığını, kendilerinin klasik anlamdaki bir süper bilgisayarla bu problemi 10 bin yılda değil sadece iki buçuk günde çözdüklerini bildirdi.

Bu haberler kuantum bilgisayarı çevresinde toplumda yeni bir ilgi ve merak uyandırdı. Kuantum bilgisayarı nedir? Nasıl çalışır? Alınır-satılır mı? Ne tür problemleri çözer? Nasıl bir avantaj veya üstünlük sağlar? Bu yazıda bu sorulara biraz yanıtlamaya çalışalım.

Adından da belli olduğu üzere bu bilgisayarların çalışması kuantum fiziğindeki bazı olaylara dayanır. Bunun temelinde de “superposition” veya “üstdüşüm” ilkesi gelir. Üstdüşüm iki veya daha fazla fiziki durumun (state) veya durum bilgisinin aynı anda aynı yerde üst üste veya iç içe bulunmasıdır. Klasik bilgisayarlarda bir durum (state) kesin olarak bilinir. Durum ile kastedilen, bir belleğin konumu veya işlem birimidir. En küçük durum veya bilgi birimi olan “bit”, ya 0 ya da 1’dir. Bilgisayar belleğinde bulunan milyarlarca “bit” veya belirli bir konumun durumu, her an okunabilir (ölçülür), yazılabilir (değiştirilir), ve her an kesinlikle 0 veya 1 olarak bilinir.

Kuantum düzeyinde ise bir parçacığın durumu (state) tam olarak bilinemez. Kuantum düzeyinde durum ile kastedilen, örneğin bir parçacığın konumu ya da momentumu olabileceği gibi bir elektronun “spin” değeri veya bir fotonun polarizasyonu da olabilir.

Kuantum düzeyinde bir durum bilgisi ölçüm yapana kadar tam olarak belirlenemez, belirsizdir. Aslında durumun muhtemel değerleri belirli olasılık dağılımı çerçevesinde bilinmektedir. Ancak ölçüm yapıldığında hangi değeri bulacağımız o ana kadar bilinmez. Kuantum hesaplama bu olasılıklar üzerinden yapılır. Ölçme sonradan gelir. Bu özellik klasik bilgisayarlardaki arka arkaya sıralamalı işlem yerine burada, üssel (eksponansiyel) biçimde işlem yapabilme potansiyeli sağlar.

Kuantum dünyasının ikinci bir özelliği olan dolanıklık (entanglement), iki parçacığın aralarında kurulan bir ilişkinin mesafe ne olursa olsun korunmasıdır. Bu özellik dışarıdan ölçülmedikçe belirsiz olarak sürer, birinde ölçüm olunca ise, öteki parçacıkta da durum ortaya çıkmış ve kesinleşmiş olur.

Klasik bilgisayarlardaki bit, kuantum bilgisayarlarda “qubit” olarak karşımıza çıkar. Elbette bir “qubit” bir bitten çok çok daha fazla işlem ve bellek kapasitesini içerir. Klasik bilgisayarlarda milyarlarca veya trilyonlarca bit var iken kuantum bilgisayarların kapasitesi birkaç qubit veya birkaç on qubit olarak verilmektedir. Şu sırlarda en yüksek kapasiteli kuantum bilgisayarın kapasitesi 54 qubit olarak verilmektedir. Bir iddiaya göre eğer 300 qubit kapasiteli bir kuantum bilgisayar yapılabilse Büyük Patlamadan (Big Bang) bu yana tüm evren olaylarının benzetimi (simülasyonu) yapılabilir.

Bir “qubit”, kuantum parçacıkların henüz ölçülmemiş ve dolayasıyla kesinleşmemiş özelliklerine karşı düşer ve üstdüşüm (superposition) durumlarının bir birleşiminden oluşur. Bir benzetme gerekirse, havaya attığınız bir paranın yere düşmeden önce, yazı mı yoksa tura mı olduğunu bilmiyor olduğunuz gibidir. Para ancak yere düşüp durunca ne olduğu anlaşılır. Dolanıklığı bu biçimde açıklamak gerekirse şöyle olacaktır. Birbirinden çok ayrı iki madeni para birbirine “dolanıksa” birinin yazı veya tura gelmesi uzaktaki ötekini de belirler. Doğal dünyada Einstein’ın “uzak mesafede ürpertici eylem” dediği bu tuhaf durum, kuantum dünyasının bir gerçeğidir.

Üstdüşüm halindeki henüz ölçülmemiş ve dolayısıyla belirsiz durumlar, başka kuantum parçacıkları ile dolanıklık halinde olabilir. Her ne kadar ölçüm yapmadan bu durumların değerleri bilinmese de aralarında bilinen karmaşık matematiksel bağıntılar vardır. Bu bağıntılar bir takım özel algoritmalar kullanarak bazı çok zor problemlerin çözümü için kullanılabilir. Çok zor diye nitelenen problemlerin çözümü klasik bilgisayarlarla binlerle yıl alabilecekken, kuramsal olarak kuantum bilgisayarlarda dakikalar veya saatler içinde çözülebilecektir. Bunların arasında, kimyasal ve biyokimyasal tepkimelerin analizi, ilaç moleküllerinin sentezi, kriptografik şifrelerin çözümü, ve parçacık fiziği problemleri de bulunmaktadır.

Kuramsal düzeyde kuantum bilgisayarların çalışması belli olsa da, gerçek dünyada bir kuantum bilgisayar yapmak ve çalıştırmak son derece zordur. Çünkü kuantum nesneleri (parçacıkları) işlem yapabilmeleri için yeterince süre üstdüşüm durumunda tutmak gerekir. Buna karşılık fiziki ortamda ölçüm düzenekleri ve çevre ile temas, kuantum üstdüşüm durumunu bozar. Bir başka deyişle kuantum eşevrelik (coherence) kaybolur, yani “decoherence” denen durum ortaya çıkar. “Decoherence”, sanki hesap yapan bir bilgisayarın iç haberleşmesine müdahale ederek ahengini bozmak ve çalışmasını kapatmak gibi düşünülebilir.

Hiç istenmeyen bir olgu olan “decoherence”, sarsıntı, titreşim, ses, radyasyon, manyetik alan, sıcaklık gibi her türlü çevresel etkene karşı çok duyarlıdır. Bu etkenlerden kurtulmuş kuantum ölçüm yapmanın zorluğu ölçüm hatalarına yol açabilir. Bu hatalardan kurtulmak ya da hata etkilerini minimuma indirerek bir biçimde düzeltmek gerekir. Yoksa kuantum bilgisayarlar güvenilmez sonuçlar verebilir.

Bu nedenlerle günümüzün kuantum bilgisayarları son derece sakin, kontrollü ve mutlak sıfıra yakın bir sıcaklıkta çalışabilir (10 K -20 K). Bugünlerde “decoherence” olgusuna yol açmadan ölçüm yapabilmek ve muhtemel hataları düzeltebilmek üzerine çabalar yoğundur.

Dünya’da kuantum bilgisayarı yapabilen kuruluşların sayısı iki elin parmaklarını geçmezken bunların arasında Google ve IBM öne çıkmaktadır. Kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarlar gibi yaygın kullanıma giremeyeceği görülmektedir. Ancak bazı büyük kuruluşların böyle bir ileri teknolojik sistemi işletebilecekleri, hatta kuantum bilgisayarların buralarda bile etkin kullanımının gerçekleşmeyeceği iddia edilmektedir.