Kuantum bilgisayar nedir nasıl çalışır?

Kuantum bilgisayar zaten bir gerçekliktir, ancak mevcut olanlar bu umut verici yeni paradigmanın gelişiminin erken bir aşamasındadır.

Bu tür bilgisayarlar pek çok kişi tarafından bilinmez ve bazıları için klasik fiziğe kıyasla neredeyse sihir gibi olan kuantum fiziğine dayanır. Burada, diğer şeylerin yanı sıra, bu garip makinelerin ne olduğunu ve nasıl çalıştıklarını öğrenebilirsiniz.

Klasik Fizik ve Kuantum Fiziği Farkı

Kuantum mekaniği veya kuantum fiziği ile klasik mekanik veya klasik fizik arasında bazı benzerlikler olduğu gibi bazı farklılıklar da vardır. Peki onlar tam olarak nedir?

• Klasik fizik: Statik, hareket vb. gibi makroskopik cisimlerin incelenmesidir. Ve farklı matematiksel yöntemlerle kurulan Lagragian, Newtonian ve Hamiltonian gibi üç ana daldan oluşur.
• Kuantum fiziği: mikroskobik cisimleri inceler ve “kuantum” teriminden gelir ve bir sistemin enerjisinin kuantize olması gerçeğinden gelir. Işığın dalga paketleri şeklinde olduğunu belirten foton teorisi bu mekaniğin temel taşlarından biridir. Hisenberg, Max Plank ve Albert Einstein bu mekaniğe dahil olan bilim adamlarından bazılarıdır. Ayrıca, bu fiziğin iki kategoriye ayrıldığını bilmelisiniz; birincisi, ışık hızına kıyasla nispeten küçük hızlara sahip parçacıkların kuantum mekaniğini incelerken göreli olmayan cisimlerle. Diğeri, ışığınkine benzer hızlarda hareket eden parçacıkları inceleyen kuantum göreliliğidir.

Yukarıda söylenenlere ek olarak, ikisi arasında bazı önemli farklılıklar vardır:

• Kuantum mekaniği atom altı cisimler için geçerliyken, klasik mekanik sadece makroskopik cisimler için geçerlidir.
• Kuantum mekaniği makroskopik cisimlere uygulanabilir, ancak klasik mekanik atom altı sistemlere uygulanamaz.
• Klasik mekanik, kuantum mekaniğinin özel bir durumu olarak düşünülebilir.
• Klasik mekanik tam gelişmiş bir alandır, kuantum mekaniği ise hala gelişmekte olan bir alandır.
• Klasik mekanikte, enerji kuantizasyonu ve belirsizlik ilkesi gibi çoğu kuantum etkisi kullanışlı değildir.

Kuantum fiziği, şimdi bize “sihirli” veya neredeyse paranormal görünen, ancak bu fiziğin gösterebileceği gerçekten garip fenomenlere yol açar. Kuantum fiziğinin bir kısmını açıklamaya çalışan ünlü Schrödinger’in kedisini mutlaka bir kereden fazla duymuşsunuzdur:

Qubit veya kuantum biti nedir?

Bir ikili bit, 0 veya düşük seviye ve 1 veya yüksek seviye olmak üzere iki farklı durum alabilir. Klasik bir bilgisayarın temel bilgi birimidir. Öte yandan, bir Qubit veya kübit, bir kuantum bilgisayarın temel bilgi birimidir, ancak bu durumda sadece yukarıda belirtilen iki duruma sahip olamaz, aynı zamanda aynı anda birkaç üst üste binmiş duruma da sahip olabilir.

Kübit, belirli bir 0 veya 1 olma olasılığı olarak her iki durumun süperpozisyonunda 0, 1 veya 0 ve 1’in herhangi bir oranını temsil edebilir. Bu makinelerin işleme yeteneklerine sahip olmasını sağlayan tam da bu kapasitedir. Klasik bilgisayarlardan çok daha üstündür.

Öte yandan, bir kübitin temsil edebileceği bilgi miktarı katlanarak artar. Örneğin, 5 kübit, klasik sistemde 2^5’ten daha fazla bilgiyi temsil edebilir. Ve size bir fikir vermek gerekirse, 2048 bitlik bir sayının asal çarpanlarını hesaplamak klasik bir bilgisayarda milyonlarca yıl alırken, kuantum bilgisayarda birkaç dakika sürer.

Ayrıca, kübitleri temsil etmenin birçok yolu olduğunu belirtmek önemlidir. Klasik devrelerde dijital devreler aracılığıyla yapılırken, kuantum devrelerde kapana kısılmış iyonlar, fotonlar, yapay veya gerçek atomlar, yarı parçacıklar vb. aracılığıyla yapılabilir. Bazıları mutlak sıfıra (-273ºC) yakın sıcaklıklara ihtiyaç duyar ve bu nedenle kullanılan karmaşık soğutma sistemi nedeniyle çok garip bir görünüme sahiptirler.

Son olarak, bazı insanlar bunun sadece bir kuantum bilgisayara daha fazla kübit eklemekten ibaret olduğunu ve bu kübitlerden daha fazlasını elde eden şirketlerin önde giden şirketler olduğunu düşünüyor. Ancak gerçek şu ki, durum böyle değil, bu kübitlerin kararlı olduğundan emin olmak gerekiyor ve en gelişmiş çipler daha büyük miktarlarda değil, daha iyi niteliklere sahip olanlardır. Aksi takdirde, diğer kübitlerin bir düzeltme sistemi olarak kullanılması gerekecektir.

Kuantum bilgisayar nasıl çalışır?

Bir kuantum bilgisayarda, klasiklerin kullandığı yasalar artık bu yeni paradigmada çalışmıyor. Dijital mantık (klasik mantık kapılarından AND, OR, NOT, NAND, NOR, XNOR, NOT, vb., CNOT, Pauli, Toffoli, SWAP, Hadamard, vb. gibi kuantum kapılarına kadar), zamanlama biçimi vb. artık geçerli değil. Her şey değişir. Aslında bu deneysel bilgisayarlar, klasik bir bilgisayara istemci olarak bağlanan bir sunucu gibi, yalnızca hesaplama araçlarıdır. Yazılım aslında klasik bilgisayarda çalışır.

Bir kuantum bilgisayarının nasıl çalıştığını ve gücünün nereden geldiğini basit bir şekilde anlamak için, bir kübitin sıfırı, biri, aynı anda her iki değerin bir üst üste binmesini veya birleştirilmiş tüm kübitlerin süperpozisyonu ile eşzamanlı bir durumu temsil edebileceğini anlamak gerekir. Örneğin 2 kübit ile 00, 01, 10, 11 değerleri aynı anda temsil edilebilir. Başka bir deyişle, yalnızca 2 kübit ile, temsil etmek için çok daha fazla klasik bit ve bunları işlemek için daha fazla CPU talimatı gerekebilecek olanı temsil etmek mümkündür.

Öte yandan, kübitlerin dolaştığı, korelasyon içinde olduğu ve hepsinde aynı işlemi paralel olarak yapmak için manipüle edilebileceği dolanıklıktan kaynaklanan kuantum paralelliği vardır.

Bana göre kuantum bilgisayarlar kısa veya orta gelecekte evlere ulaşamayacak, sadece şirketler için bulut servisleri olarak kullanılacak QaaS çözümleri olacak ama biz onlarca yıl klasik cihazları kullanmaya devam edeceğiz.