Kuantum bilgisayarlar hiçbir zaman bu makaleyi okuduğunuz cihaz gibi “klasik” bilgisayarların yerini tamamen almayacak. Kuantum bilgisayarlar web tarayıcılarını çalıştırmazlar, alışveriş yapmanızı ya da Netflix’ten en son dizileri izlemenizi sağlayamazlar. Yapacakları şey (en azından uzun zamandır ümit edilen şey) belirli hesaplamaları gerçekleştirmenin farklı bir yolunu sunmak olacak.
Kuantum bilgisayarların ilgi çekici araştırma projeleri olmaktan çıkıp klasik bilgisayarların yapamayacağı şeyleri yapmaya başladığı eşiğe “kuantum üstünlüğü ve kuantum avantajı ( ilgili ama farklı şeyler)” adı veriliyor. Peki ama kuantum üstünlüğü ne anlama geliyor ve buna gerçekten ulaşılıp ulaşılmadığını nasıl anlayacağız? Bu sorunun cevabını anlamak için kısaca klasik bilgisayar ile kuantum bilgisayar arasındaki farkı anlamamız gerekecektir.
Kuantum bilgisayarlar ve klasik bilgisayarlar arasındaki fark nedir?
Günlük deneyimimizde dünya %100 ölçülebilir, deterministik ve gözlemciden bağımsızdır. Çantanızdaki üç tane bilye varsa ve bu bilyeler kırmızı, yeşil ve mavi renkteyse, çantayı ne kadar sallarsanız sallayın, kırmızı bilye kırmızı, yeşil bilye yeşil, mavi bilye mavi olarak kalır. Ancak kuantum evreninde durum her zaman böyle değildir. Protonunu oluşturan üç kuark, onları ölçtüğünüzde kesin bir renge sahip olabilir. Ancak bu gelecekte de aynı renge sahip olacaklarını garanti etmez.
Klasik ve kuantum sistemler arasındaki bu fark hem bilimsel hem de teknolojik devrimlere yol açtı. Bunlardan birisi de kuantum hesaplamadır. Klasik bilgisayar dediğimiz zaman günlük kullandığımız bilgisayarları düşünmeniz gerekir. Siz bilgisayarınızda bir toplama işlemi ya da bir tatil rezervasyonu, ne yaparsanız yapın arka plandaki süreç aynı işler.
Girdileriniz öncelikle 0 ve 1’ler dizisi haline gelir. Daha sonrasında da bir algoritma tarafından işlenir. Sonunda çıktınız yeni bir 0 ve 1’ler dizisinden oluşur. Yani bir algoritmanın yaptığı tek şey bit dizilerini manipüle etmektir. Burada da her bit ya 0 ya da 1’dir. Makine seviyesinde bu bir transistörün üzerinden elektrik akımının geçmesi ya da geçmemesi durumu anlamına gelir.
Atomaltı dünyasında en acayip şeylerden biri, elektron ya da foton gibi nesnelerin aynı anda iki farklı durumda birden olabilmesidir. Buna süperpozisyon denir. İşte bu süperpozisyon bizi 0 ve 1 kısıtlamalardan kurtarır. Kuantum bilgisayar, süperpozisyonda olabilen parçacıklarla çalışır. Artık elimizde klasik hesaplama için kullanılan 0 ve 1’ler yerine her ikisini aynı anda alabilen kübitler vardır.
Kuantum üstünlüğü nedir?
Temel farkı anladıktan sonra şimdi konumuza geçebiliriz. Yukarıda açıkladıklarımızdan sonra klasik bilgisayarların klasik (fakat kuantum değil) problemleri çözmek için iyi araçlar olduğunu ve kuantum ile ilgili problemlerini çözmek için de kuantum bilgisayarlara ihtiyaç duyulacağını düşünebilirsiniz. Ancak bilgisayar bilimindeki en önemli fikirlerden biri olan Church-Turing tezi bu fikirle doğrudan çelişiyor.
Bu tez bir Turing makinesi tarafından ( Turing makinesinin bilgisayarların arkasındaki temel fikir olduğunu hatırlayın) yalnızca klasik bitler kullanılarak çözülebilen herhangi bir problemin aynı zamanda bir hesaplama cihazı, yani klasik bir bilgisayar tarafından da çözülebileceğini belirtiyor. Bu teze karşıt olan bir tez de bunun mümkün olmayacağını dile getiriyor. Kuantum üstünlüğünün arka planındaki fikir budur.
Kuantum üstünlüğünü nasıl elde edilir?
Kuantum üstünlüğüne ulaşmak için, bir kuantum bilgisayarının, klasik bir bilgisayarın yapamayacağı her türlü hesaplamayı yapması gerekir. Bu durumda Church-Turing’in geçerli olduğunu veya karşıtının hatalı olduğunu kanıtlamak gerekecektir.
Başka bir deyişle, bilinen tüm algoritmaları ve teknikleri kullanarak klasik bir bilgisayar için hesaplama açısından pahalı olan, ancak bir kuantum bilgisayar için çok daha kolay ve hesaplama açısından daha az maliyetli olan bir hesaplama problemini ifade edebilirseniz ve çok daha hızlı bir biçimde hesaplamanın mümkün gösterebilirseniz.
Ayrıca kuantum avantajı olarak bilinen bir şeyi elde etmeye de çalışabilirsiniz. Bu da gerçek dünyayla gerçekten alakalı bir sorun için kuantum üstünlüğüne ulaşmak olacaktır. Bu tanıma göre kuantum üstünlüğüne 2017-2019 arasındaki dönemde eriştik. Ancak kuantum hesaplamanın amacı, kullanışlı ve pratik bir problem için kuantum üstünlüğüne ulaşmaktır. Kuantum avantajı bir dönüm noktasıdır.
Kuantum Avantajına Ne Zaman Ulaşacağız?
En son teknolojiye sahip şifreleme algoritmalarının kırılması gibi, klasik bilgisayarların çözmesi pratik olmayan bazı problem türleri vardır. Son yıllarda yapılan araştırmalar, kuantum bilgisayarların bu sorunların bazılarını çözme potansiyeline sahip olduğunu gösterdi. Eğer bu sorunlardan birini gerçekten çözecek bir kuantum bilgisayar yapılabilirse, kuantum avantajı kanıtlanmış olacaktır.
Akademik araştırmalar bu yeni bilim ve teknolojinin temelini oluşturan temel ilkeleri araştırmaya odaklanmış durumda. Konu ile ilgili bazı adımlar atıldı. Örneğin Google’daki araştırmacılar ve daha sonra Çin’deki bir araştırma ekibi, belirli özelliklere sahip rastgele sayıların bir listesini oluşturmanın kuantum avantajını gösterdi. Öte yandan, yakın vadede pratik sonuçların gerçekleşmemesi durumunda, yatırımların azaldığı bir dönem olan “kuantum kışına” girme riski de mevcuttur. Bu da alanın ilerlemesindeki itici gücü oluşturuyor.
Kaynaklar ve ileri okumalar
- Quantum Supremacy Is Coming: Here’s What You Should Know. Yayınlanma tarihi: 18 Temmuz 2019. Kaynak site: Quanta magazine. Bağlantı: Quantum Supremacy Is Coming: Here’s What You Should Know
- Quantum supremacy explained. Yayınlanma tarihi: 30 Ağustos 2023. Kaynak site: Big Think: Bağlantı: Quantum supremacy explained
- Kundu, Shankhadip & Kundu, Rajdeep & Kundu, Shubhabrata & Bhattachaijee, Anubhab & Gupta, Sayantan & Ghosh, Souvik & Basu, Indranil. (2016). Quantum computation: From Church-Turing thesis to Qubits. 1-5. 10.1109/UEMCON.2016.7777805.
- What is quantum advantage? A quantum computing scientist explains an approaching milestone marking the arrival of extremely powerful computers. Yayınlanma tarihi: 17 Kasım 2023. Kaynak site: The Conversation. Bağlantı: What is quantum advantage? A quantum computing scientist explains an approaching milestone marking the arrival of extremely powerful computers
- Arute, F., Arya, K., Babbush, R. et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature 574, 505–510 (2019). https://doi.org/10.1038/s41586-019-1666-5
Size Bir Mesajımız Var!
Matematiksel, 2015 yılından beri yayında olan ve Türkiye’de matematiğe karşı duyulan önyargıyı azaltmak ve ilgiyi arttırmak amacıyla kurulmuş bir platformdur. Sitemizde, öncelikli olarak matematik ile ilgili yazılar yer almaktadır. Ancak bilimin bütünsel yapısı itibari ile diğer bilim dalları ile ilgili konular da ilerleyen yıllarda sitemize dahil edilmiştir. Bu sitenin tek kazancı sizlere göstermek zorunda kaldığımız reklamlardır. Yüksek okunurluk düzeyine sahip bir web sitesi barındırmak ne yazık ki günümüzde oldukça masraflıdır. Bu konuda bizi anlayacağınızı umuyoruz. Ayrıca yazımızı paylaşarak veya Patreon üzerinden ufak bir bağış yaparak da büyümemize destek olabilirsiniz. Matematik ile kalalım, bilim ile kalalım.
Matematiksel
