Kuantum Bilgisayarı

İnsanlığın yazgısı kaderin puslu kalemi ile çoktan yazılmıştı. Kuantum mekaniği ve bize getirdiği güç keşfedilene dek bir çok insan bilimin ilerlemesinin sona erdiğini düşünme hatasına bile düşmüştü. Beyinlerde sönmeye yüz tutan yıldızlar Heisenberg’in düşünce deneyi ile yeniden parlamaya başladı.
Kuantum mekaniğinin 1900’lü yılların başındaki tartışmaları Argon Ulusal Laboratuarı’nda çalışan Paul Benoif’in kuantum bilgisayarlarını tanımlamasına kadar gerçekçi bir mahiyet almadı. 1981 yılında kuantum teorisini ilk defa bilgisayarlara uygulayarak Beniof tarihe geçmişti. Beniof aslında bir “Kuantum Turing Makinası” tanımlamıştı ki şu anda bu makaleyi okumak için kullandığınız bilgisayar bile Turing Teorisi üzerine inşaa edilmiştir.

1930’lu yıllarda Alan Turing tarafından geliştirilen Turing makinası düşünsel olarak küçük karelere bölünmüş sınırsız uzunlukta bir band’dan oluşmaktadır. Her küçük karecik (1, 0) bilgisini tutabilir, veya boş bırakılmış olabilir. Bir okuma-yazma aygıtı bu sembolleri ve boşlukları okuyarak özel bir işi gerçekleştirmek için makinaya komutlar verir. Kuantum bilgisayarında farklı olan tek şey bu okuma yazma kafasının kuantum durum uzayında bulunmasıdır. Bu demektir ki banda yazılan semboller (1, 0) veya 0 ve 1’in süperpozisyon bilgisini tutar. Böylece Turing makinası aynı anda ancak bir işlem gerçekleştirebiliyorken, kuantum bilgisayarı birçok işlemi “aynı anda” yapabilir.

Bugünün bilgisayarları (1,0) dan oluşan iki durumlu ilkeler dizisi ile çalışıyor. Fakat kuantum bilgisayarları iki durumla sınırlı değildir. Kuantum bilgisayarları bilgileri “quantum bit” anlamına gelen “qubit” olarak kodlar. Bir qubit, dört durumda bulunabilir; 1, 0, aynı anda 1 ve 0 veya arada bir değer. Qubit’ler bilgisayar belleği ve işlemcisini oluşturmak için birlikte çalışan atomları temsil ederler. Bu, çoklu durum uzayı özelliğinden dolayı, kuantum bilgisayarlarının bugünün bilgisayarlarından milyonlarca kat daha hızlı çalışacağını söylemek yanlış olmayacaktır. Kuantum bitlerinin süperpozisyon özelliği kuantum bilgisayarlarına doğal bir paralellik özelliği vermektedir. Fizikçi David Deutsch bu paralelliğin normal bir bilgisayarın bir işlem yapmasına karşın kuantum bilgisayara bir milyon işlem yapma yeteneği kazandırdığını iddia ediyor. 30-qubitlik bir kuantum bilgisayarının işlem gücü 10 tera-flop (saniyede 10 tirilyon kayan noktalı işlem yapabilen) geleneksel bir bilgisayara denk gelir ki bugünün bilgisayarları saniyede sadece milyarlar düzeyinde işlem yapabilmekte.

Bununla yetinmeyen kuantum bilgisayarı aynı zamanda “dolaşıklık” özelliğine sahip. Kuantum bilgisayarların güçlü ve sorunlu kılan konulardan biride budur. Eger atomaltı parçacıklara “bakmak” isterseniz onların durumunu değiştirmiş olursunuz. Bunun neden böyle olduğunu bundan önceki makalemizde Heisenberg’in düşünce deneyinde görmüştük. Görmemiz için ya da ölçmemiz için ışığa ihtiyacımız var. Fakat atom altı parçacıklara ışık fotonları temas edince yerlerini ve özelliklerini değiştiriyor. Böylece asla gerçekte ölçme anında bu parçacıkların ne durumda olduğunu bilemiyoruz. Bu zorluğa karşın, dolaşıklık özeliği bize birde iyilik sunuyor. Kuantum fiziğine göre eğer iki atomdan oluşan bir ikiliye dışardan bir güç uygularsanız, atomlar “dolaşık durum”a girebilir. Bu şu demektir, atomlardan biri hangi yönde dönüyorsa ve polarize olmuşsa diğeri tam olarak zıt duruma girmiş demektir. Ve bu dolaşıklık mesafeden bağımsızdır!! Bu çok önemli, ikinci atom nerede olursa olsun, birincisinin yerini değiştirerek diğerinin özelliklerini de değiştirebiliyoruz demektir. Ve bunu ışıktan bile hızlı yapmış oluyoruz. Bu normal sistemlerde enerjinin yayılım hızının sınırsızca ötesine geçmek demektir!

Peki insanlık bu işin neresinde? Kuantum bilgisayarlar konusunda çalışma yapan IBM-Almaden araştırma merkezi 2000 yılında 5-qubitlik kuantum bilgisayarı geliştirdi. Florin molekülünün çekirdeğindeki 5 atomu kullanan bu bilgisayar radyo dalgaları ile programlanabilmekte ve nükleer magnetik rezonans ile okunabilmektedir. Dr. Isaac Chuang’ın liderliğinde IBM ekibi kriptolojide kullanılan matematikte bilinen “derece-bulma” problemini kuantum bilgisayar yardımı ile bir adımda çözmektedir. Bu bir fonksiyonun kendini ne kadar zamanda bir tekrar ettiği ile alakalı bir problemdir ve geleneksel bilgisayarlar bu problemi sayılmayacak kadar fazla adımda çözmekle karşı karşıyadır. Yine aynı yıl içinde Los Alamos Ulusal Laboratuarlarında 7-qubitlik kuantum bilgisayarı yapıldı. 6 hidrojen ve 4 karbon atomundan oluşan bu bilgisayar, NMR kullanarak normal bilgisayar verilerinin kodlanmasını gerçekleştirmektedir. Bu gelişmeler 1998’de Los Alamos ve MIT’deki bilim adamlarının bir qubit bilgisini Alanin ve Trikloroetilen moleküllerinde dağıtarak 3 nükleer spin bilgisine dönüştürmesi ile başlamıştı. Bu dağıtma bozulmayı zorlaştırmış, kuantum analizi ve dolaşıklık teorisini uygulamayı kolaylaştırmıştı.
Kuantum bilgisayarları henüz emekleme döneminde olmasına rağmen düzinelerce qubitlik kuantum bilgisayarları yapıldığında tüm dünyada internet üzerinde güvenli bir bit veri bile kalmayacağı düşünülüyor! Vakum tüplerinin yerini transistörlerin aldığı gibi, kısa bir zaman içinde qubitler de transistörlerin yerini alacak ve beklenen sona ulaşacağız. Bunu şimdiden görebilen ülkelerde kuantum şifreleme ve kuantum güvenliği hakkında da çalışmalar bile başlamış hatta bazı sonuçlara da ulaşmış durumda. Meraklıları için bir dahaki yazımda söz verdiğim sırayla önce ışınlanma sonra da kuantum şifrelemeye göz atacağız.