Yakın zamanda Türkiye’nin üzerinde 16 yıldır çalıştığı kuantum bilgisayar olan QuanT tanıtıldı. Geliştirmeleri yapan TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi, QuanT’nin açılımını “Quantum Computer of TOBB ETÜ” olarak açıkladı.
Bu vesileyle, kuantum bilgisayarlar konusunda 2018 yılında yaptığım bir araştırmayı ve eski web sitemde yayınlamış olduğum bir yazıyı buradan paylaşmak istedim. Yazıda kuantum bilgisayarın anlaşılması açısından önce bilgisayar ve türleri üzerinden kısa bir anlatım var, buraları atlamak ve sadece geleneksel bilgisayarlar ile arasındaki farkı basit şekilde öğrenmek isterseniz en alttaki Özet’i okumanız yeterlidir.
Günümüzde kullandığımız bilgisayarları klasik bilgisayar olarak düşünebiliriz. Bunların özellik olarak çok ötesinde olan kuantum bilgisayarlar geliştirildi. Kuantum bilgisayarı anlayabilmek için önce günümüzde kullandığımız bilgisayarların mantığını anlamak gerekiyor.
BİLGİSAYAR ÇEŞİTLERİ
Günümüzde birçok bilgisayar çeşidi olmasına rağmen kapasitelerine ve kullanım amaçlarına göre bir sınıflandırma yapıldığında bilgisayar çeşitlerini şu şekilde sıralayabiliriz: Ana bilgisayar, Ağ (Network) bilgisayarlar, Kişisel bilgisayar, Dizüstü bilgisayar, Mini bilgisayar.
♦ Ana Bilgisayar (Server): Çok hızlı işlem gücü ve dev bellek güçleri olan bilgisayarlardır. Özel bir merkezde bulunur ve aynı anda binlerce istemci bilgisayara hizmet verebilir. Bazen ülke çapında, bazen de dünya çapında hizmet verir. Çok sayıda bilginin güvenle işlenmesi gerektiği durumlarda güvenle kullanılır.
♦ Ağ/Network Bilgisayarı (Terminal): Bellek güçleri, disk kapasiteleri ve işlem güçleri sınırlı bilgisayarlardır. Bir ağa ve sunucuya bağlı olarak çalışır ve Terminal olarak isimlendirilmektedir. Kendi kaynaklarını ortak olarak kullanırlar. Örnek olarak, bankalardaki bilgisayarlar ve atm’ler verilebilir.
♦ Kişisel Bilgisayar (PC): Evlerde ve iş yerlerinde, bir kişi tarafından kullanılan bilgisayarlardır. Bu nedenle bu bilgisayarlara “kişisel bilgisayarlar” denir. Kullanımları 1970’li yıllardan sonra yaygınlaşmıştır. Günümüzde çeşitli özellikte ve güçte kişisel bilgisayarlar bulunmaktadır.
♦ Dizüstü Bilgisayar (Laptop): Donanım olarak kişisel bilgisayarların bütün öğelerine sahiptir. Bünyelerinde bulundurdukları pilleri sayesinde elektriksiz birkaç saat kullanılabileceği gibi doğrudan elektrik kaynağı ile de kullanılabilir. Taşınabilir olması, son yıllarda kullanılırlığını artırmaktadır.
♦ Mini Bilgisayar (Tablet): Kullanıcının kendisine ait işlemleri yapabilecek kapasite ve hıza sahiptir. Boyutları çok küçüktür. Normal bir bilgisayarın yaptığı işlemleri minimum seviyede yapabilir. Örnek olarak, tablet ve akıllı telefonlar verilebilir.
BİLGİSAYAR NASIL ÇALIŞIR?
Bilgisayarlar, verileri sayısal olarak algılayarak işlem yapmaktadırlar. Bu sayısal algılamada da insanlardan farklı olarak sahip oldukları elektrik enerjisinin iki basit durumunu (açık ve kapalı olma durumu) kullanırlar. Yani bizim günlük hayatta kullandığımız tüm harf, rakam ve semboller bilgisayarın sayısal ortamında elektriğin açık (1) ve kapalı (0) olma durumlarının farklı ihtimalleri ile ifade edilmektedir. 0 ve 1 rakamlarından oluşan bu sayı düzenine, ikili (binary) sayı düzeni adı verilmektedir.
İnsanlar ise var oldukları ilk zamanlardan bu yana sahip oldukları en temel sayma aracı olarak el parmaklarını kullanmışlardır ve bu nedenle bizlerde onluk sayı düzenini kullanmaktayız.
Gelişen teknolojiyle klasik, ikili sayı düzeni mantığıyla olmayan; farklı bilgisayarlar da yapıldı. Kuantum bilgisayarlar buna örnektir. Kuantum bilgisayarlarında sadece iki durum yoktur. Bu bilgisayarların durumları 0'ın bir kısmı, 1'in bir kısmı veya ikisinin de bir kısmı olabilir. Bu yöntem ise çok büyük bir hız farkını ortaya koydu.
Kuantum bilgisayarların detayına inmeden önce “kuantum” ve “ışık hızı” terimlerini inceleyelim.
KUANTUM NEDİR?
Kuantum sözlük anlamı olarak “Bir dalganın olası değerlerinin alt değer kümelerinden biri” anlamını taşır. İngilizce’de “Quantum”, Latince’de “Quantus” olarak kullanılan kuantum, atom düzeyindeki, hatta atomdan daha küçük parçacıkların fizik kurallarını tanımlamakta kullanılır.
KUANTUM MEKANİĞİ
Kuantum mekaniği; madde ve ışığın, atom ve atomaltı seviyelerdeki davranışlarını inceleyen bir bilim dalıdır. Nicem mekaniği veya dalga mekaniği adlarıyla da anılır.
Kuantum mekaniği; moleküllerin, atomların ve bunları meydana getiren elektron, proton, nötron, kuark, gluon gibi parçacıkların özelliklerini açıklamaya çalışır. Çalışma alanı, parçacıkların birbirleriyle ve ışık, x ışını, gama ışını gibi elektromanyetik radyasyonlarla olan etkileşimlerini de kapsar.
Not: Işık hızı, ışığın bir saniyede aldığı varsayılan, ortalama 300.000 km’lik değerdir.
KUANTUM BİLGİSAYARLAR
Klasik bilgisayarlar bitlerden oluşan hafıza yapısına sahiptir. Her bit 1 veya 0 değerini alabilir. Kuantum bilgisayarları ise kübitlerden (qubit) oluşan seriler içerir. Tek bir qubit 1, 0 veya bu ikisi arasındaki (kuantum çakışması) bir değeri alabilir. Bir kübit (qubit) çifti 4 kuantum çakışması durumunun herhangi birinde, üç kübit (qubit) ise 8 kuantum çakışması durumunun herhangi birinde olabilir. Genel olarak n kübit sahibi bir kuantum bilgisayarı aynı anda 2^n çakışmanın herhangi birinde olabilir. Normal bilgisayarlar 2^n durumun sadece birinde olurken, bir kuantum bilgisayarı bu durumların hepsinde ya da bir kısmında bulunabilir.
Kuantum bilgisayarları kübitleri belirli kuantum mantık kapıları ile düzenleyebilir. Uygulanan bu kapı serilerine kuantum algoritması adı verilir.
Kuantum bilgisayarının olası farkı hakkında; alışıla gelmiş klasik transistörlü elektriksel devre akımı ile işlem yapma esnasında çeşitli veri gecikme süreçleri olduğu için, bu bekleme süreci transistör sayısı artıkça ilk elektriksel yapı bir noktadan sonra tekrar yenilenmesi gerekir. Bu yüzden işlem süreci haliyle uzamaktadır. Fiber optik bağlantılardaki gibi, kuantum bilgisayarlarının tüm işlemi ışık hızı sınırında tamamlayabilmesi olasıdır.
Kuantum bilgisayarlar veri gecikme payı olmaması nedeniyle bu şekilde üretilen bilgisayarların veri gerçekleştirme hızının tam anlamıyla ışık hızında olması (fiber optik bağlantılarda olduğu gibi) olasıdır. Bu hız, “super computer” olarak bilinen dünyanın en hızlı bilgisayarlarından 3600 kat daha hızlı olması anlamına geliyor.
Bu bilgisayarlardan ilki Google tarafından üretildi. Google’ın ürettiği bu kuantum bilgisayarı küçük boyutlarda olmasının yanı sıra işlem hızı inanılmaz derecede yüksek. Normal bilgisayara göre 100 milyon kat daha hızlı işlem gerçekleştirmeyi başaran kuantum bilgisayarı, ilerleyen çalışmalarla birlikte geliştirilecek.
KUANTUM BİLGİSAYARIN ÖZELLİK FARKLARI
1) NEDEN İHTİYAÇ VAR?
Normal bilgisayarlar yerine böyle bir teknolojiye geçilmesinin elbette bir nedeni var. Normal bilgisayarların sahip olduğu teknoloji artık limitlerine ulaştı, bunun nedeni bilgisayarların çalışma prensibinde yatıyor. Normal bilgisayarlar temelde transistör denen küçük elektron durduculardan oluşurlar. Elektronlar geçerse 1, geçmez ise 0 temelli bit adı verilen bilgileri oluştururlar. Günümüzde bir bilgisayarın daha iyi olabilmesi için transistör sayısının daha fazla olması gerekir, fakat transistörler şu hali ile bir virüs’ün 1000’de 1 boyutunda ve biraz daha küçültülür ise elektronlar tarafından penetre edilirler ve elektronu durduramazlar. Dolayısıyla bit’leri üretemez ve veri işleyemezler. Bu nedenle klasik bilgisayar yapısının artık değişmesi gerekiyor.
2) BİT YERİNE KÜBİT
Kuantum bilgisayarları normal bilgisayarlar gibi elektronları durdurup bit’leri üreterek çalışmıyorlar. Bunun yerine kübit adı verilen fotonları kullanıyorlar ve fotonların polarizasyonlarına göre veri üretiyorlar. Fotonlar dikey polarizasyonda ise 0, yatay polarizasyonda ise 1 olarak kabul ediliyor.
3) TÜM VERİYE AYNI ANDA SAHİPLER
Normal bilgisayarlarda bir işlem kombinasyonu yapılırken, bilgisayar sahip olduğu bitleri farklı kombinasyonda sırayla çalıştırır. Örneğin, bilgisayarda arama yapmak istediğinizde bilgisayar 4 adet transistörü çalıştırarak kombinasyonları dener. Toplamda sahip olduğu 16 kombinasyonu sırasıyla deneyerek istenilen veriye ulaşır ve bu da biraz zaman alır. Kuantum bilgisayarlarında ise fotonlar aynı anda hem 0’a hem de 1’e sahiplerdir. Bunun sebebi kuantum mekaniğinde gizli. Fotonları ölçmediğiniz müddetçe fotonların polarizasyonlarını bilemezsiniz ve belirli olasılıklarda her ikisine de sahiptirler, buna Süperpozisyon denir. Bu nedenle elinizde bulunan 4 adet kübit ile aynı anda tüm 16 kombinasyona sahipler. Örneğin bir arama yaptığınız anda direkt olarak istediğiniz sonucu alabilirsiniz.
4) ZOR İŞLEMLER İÇİN İDEAL
Kübitler aynı anda tüm olasılıklara sahip olduğundan sadece 20 adet kübit ile 1.048.576 işlemi aynı anda yapabilirsiniz. 20 adet bit ile aynı sayıda kombinasyona sahipken her defasında 1.048.576 kombinasyondan birini deneyebilirsiniz. Yani Kübitte aradığınıza en baştan beri sahipken, normal bilgisayarlarda 1.048.576’da 1 oranında sahipsiniz.
5) MANTIK KAPISI YOK
Normal bilgisayarlarda bitleri işledikten sonra transitörlerin farklı kombinasyonlarından oluşan Mantık Kapıları aracılığı ile veriler istediğiniz gibi işlenir. Mantık Kapıları temelde bitlerin nasıl işleneceğini belirlerler. “Ve”, “ya da” ve “hiç” gibi üç farklı mantık kapısının temelde yaptığı iş gelen elektron akışına göre, yeni elektron akışını belirlemektir. Örneğin “ve (and)” kapısı, gelen bit 0 ise cevap olarak 1 verir; tıpkı hesap makinesi gibi. Kuantum bilgisayarlarında ise bir Mantık Kapısı yoktur, bunun yerine Olasılık Kapıları vardır. Olasılık Kapıları temelde aynı amaçla çalışırlar, yani gelen veriyi işleyip yenisini oluşturmak dışında bir işleri yok. Fakat işlemleri aynı değildir; bitlerin aksine kübitler aynı anda 0 ve 1’e sahip olduğundan gelen kübiti ölçüp içerisindeki polarizasyona göre yeni bir olasılık hesabı yaparlar.
6) ETKİLEŞİM HALİNDEKİ FOTONLAR
Olasılık Kapı’larından bir fotonun işlenmesi sırasında ölçülen bir foton aynı anda başka bir foton ile daima etkileşim halindedir. Buna fenomene kuantum dolanıklılığı denir ve kuantum mekaniğindeki objelerin birini ölçerseniz, dolanıklı olduğu objeyi de ölçmüş olursunuz. Einstein’ın yaptığı gibi eldiven örneği bunun için idealdir; bir çift eldivenimiz olduğunu düşünülenim. Bunlardan bir tanesini kilitli bir kasaya, diğerini ise evde bırakıyoruz. Kasayı kuzey kutbunda açarsanız ve sağ eldiven olduğunu ölçerseniz, evdekinin sol eldiven olduğunu direkt olarak bilirsiniz. Olasılık Kapıları temelde bunu kullanarak ölçtüğü kübitin dolanıklı olanı ile aynı anda veriyi işlerler.
7) IŞIK HIZINDA VERİ İŞLEME
Normal bilgisayarlarda veri işleme hızı elektron akışının hızına bağlıdır; elektronlar ne kadar çabuk işlenirse o kadar hızlı işlem yapılmaya başlanır. Kuantum bilgisayarlarında ise kübitler Olasılık Kapı’larında ölçüldükten sonra yeni verinin oluşturulması kuantum dolanıklılığının etkileşim süresine bağlıdır. 2015’te Delft Üniversitesi‘nde yapılan çalışmada, dolanık iki objenin etkileşiminin ışıktan daha hızlı olduğu hesaplanmıştır.
8) FARKLI DİZAYN (GÖRÜNÜM)
2012 yılında yeni yeni kurulmaya başlayan kuantum bilgisayarları, tıpkı normal bilgisayar gibi ilk halinde oda büyüklüğündeydi. Daha sonra laboratuvar ortamında üretilmiş olan gözle görülemeyecek kadar küçük materyaller haline getirildi. Bunun sebebi kübitlerin henüz büyük sayılarda denenecek kadar bilinmemesi ve kontrol edilememesi. Bu nedenle üretilen çipler en fazla bozuk para ebatlarında ve çok fazla sayıda kübit içermiyorlar.
9) ŞİFRE KIRMAK İÇİN KULLANILIYOR
Kübitlerin süperpozisyon sayesinde aynı anda tüm olasılıklara sahip olması sayesinde, olasılık hesapları 0’a düşüyor. Bunun en güzel test edildiği yer ise şifre kırma işlemleri. Normal şifre kırma işlemlerinde, Brute Force adı verilen Kali programları, sahip olduğu devasa text dosyaları içerisindeki tüm şifreleri tek tek deneyerek gerçek şifreyi bulmaya çalışır. Kuantum bilgisayarlarında ise bu işlem sahip olunan kübit sayısına göre aynı anda yapıldığında süre ciddi anlamda düşer. 10 adet bit ile 1024 farklı şifreyi tek tek denerken, 10 adet kübit ile 1024’ünü de aynı anda deneyebiliriz.
İLK TİCARİ KUANTUM BİLGİSAYAR
Kanadalı bir firma olan D-Wave Systems, ilk ticari kuantum hesaplama sistemi D-Wave One’ı 2011 yılında pazara sürdü.
128-qubitlik D-Wave One işlemcisi sadece optimizasyon (verimlileştirme, en iyileme) sorunlarını çözmek için kullanılıyor. Yazılımın geri kalan kısımları geleneksel sistemler üzerinde çalışıyor.
Sistemi bir süre eğiterek basit ikili sınıflandırma işlemleri yapılabiliyor. Örneğin D-Wave belirli bir öğrenme sürecinden sonra girilen bir ismin kadınlar için mi erkekler için mi olduğunu söyleyebiliyor. Tabi ki kuantum hesaplama isimleri sınıflandırmaktan çok daha fazlasını sunma kapasitesine sahip ancak yapay zekâ çalışmaları da bu teknolojinin el attığı alanlardan birisi.
HERKESİN KULLANIMINA AÇIK KUANTUM BİLGİSAYARLAR
New Yok merkezli IBM, laboratuvarlarında geliştirmiş olduğu ve adını “IBM Q” koyduğu kuantum bilgisayarını herkesin erişimine açtı. Bulut üzerinden çalışan bu bilgisayar, dünyanın her yerindeki öğrenciler, akademisyenler ve bilim adamları için kullanılabiliyor.
Kuantum bilgisayarı üzerinde çalışmalar yaptığı bilinen şirketin, yaptığı çalışmaları hızlandırmak ve araştırmacılardan geri dönüşler almak için 5 qubit’lik kuantum bilgisayarını bulut tabanlı olarak kullanıcılara ücretsiz olarak açtı. Şirket aynı zamanda araştırmacıların ve geliştiricilerin bilgisayarı kullanabilmeleri için yine kendi geliştirdiği programlama arayüzünü(programming interface) de platforma dahil olan kullanıcılara sağlıyor. Bu sayede kullanıcılar kuantum bilgisayarı üzerinde kendi uygulamalarını daha kolay bir şekilde geliştirebilme imkânına da sahip oluyorlar.
ÖZET
Özet olarak size klasik bilgisayar ile kuantum bilgisayar arasındaki farkı şu şekilde anlatabilirim; elinizde 10 tane bilye olduğunu düşünün. Bunların hepsi aynı boy ve ağırlıktadır. 9 tanesi siyah, 1 tanesi kırmızıdır. Amaç, bunların içinden kırmızı olan bilyeyi bulmaktır. Klasik bilgisayar ile işlem yaparsanız bu bilyelerin hepsini bir torbaya koymuş gibi olursunuz. Kırmızı olanı bulabilmek için elinizi torbaya atar ve her seferinde 1 tane alırsınız, kırmızı olanı bulana kadar. Şansınıza göre ilk aldığınız bilye de kırmızı olabilir, son aldığınız da. Klasik bilgisayarlarda arama yaptığınızda bu mantıkla çalışır. Aynı aramayı kuantum bilgisayarlarda yaptığınızda ise torbaya ihtiyaç yok. Tüm bilyeleri masaya koyuyorsunuz ve kırmızı olanı bulabilmek için sadece bakmanız yeterlidir.
Yazı başlığında ve içeriğinde gösterilen kuatum bilgisayar görselleri farklı çalışmalardan alınmış örnek görsellerdi. Türkiye’de geliştirilen QuanT’nin aşağıdaki gibidir.
Bununla birlikte yazıyı sonlandırmış oluyoruz. Bir sonraki yazıda görüşmek üzere!
