Kuantum Bilgisayarlar ve Çalışma Prensibi

 

Günümüz bilgisayarlarının bugünkü hızlara ulaşmasını sağlayan etken her yıl giderek küçülen transistörler ve mikroişlemcilerdir. Bu yapıların giderek küçülmesi ile beraber söz konusu işlemcilerin aynı alana sığabilecek olan sayısı da giderek artmaktadır ve buda daha fazla işlem gücü elde edilmesini sağlamaktadır. 1970 yılında 10 mikron olan transistör yapıları(1 mikron 1 metrenin milyonda biridir) günümüzde ise 7 nanometreye kadar düşmüştür (1 nanometre, 1 metrenin 1 milyarda biridir). Peki bu durum nereye kadar devam edebilecek? Nanometreden sonra Angstrom isimli ölçü birimi gelmektedir ki, atomların büyüklükleri bu birimle ölçülüyor. Eğer atom boyutundan daha küçük parçalar üretmek istersek işler giderek daha çok karmaşıklaşmaya başlayacaktır. Çünkü atom altı seviyelere inmemiz gerekir. Bu şekilde atom altı parçacıkların egemen olduğu bambaşka bir dünyaya adım atarız yani kuantum dünyasına.

Klasik bilgisayarlar tüm işlemleri sadece 1 yada 0 değerini alabilen klasik bitlerle yapar. Bir kuantum bilgisayar ise kuantum bitlerini yani kübitleri kullanır. Kübitler ise hem 0 hemde 1 değerlerini alabilirler. Kübit olarak kullanılabilen foton, atom çekirdeği yada elektron gibi pek çok fiziksel nesne vardır.

 

Çalışma Mantığı?

Bütün elektronların manyetik alanı vardır tıpkı küçük birer mıknatıs gibi düşünebiliriz. Bu özelliklerine spin adı veriliyor. Eğer bu elektronları manyetik bir alana koyarsak manyetik kuvvetin etkisiyle manyetik alan ile doğru orantılı olacak bir şekilde yön değiştirmiş olurlar. Bu durumu bir pusula iğnesinin dünyanın manyetik alanının etkisiyle yön değiştirmesi gibi düşünebiliriz. Bu durum elektronun en düşük enerji seviyesinde olduğunu gösterir ve spin down denir yada 0 durumu da diyebiliriz. Bu elektronlar spin up yani 1 durumuna da getirilebilir. Bu durumda ise elektron yüksek enerji seviyesindedir. Ancak bunun için enerji gerekmektedir. Pusula örneğine dönecek olursak pusulamız kuzeyi gösterirken ona belli bir kuvvet uygulayıp güney yönüne çevirmemiz gibi düşünebiliriz durumu.

Kuantum nesneler ile ilgili olarak ilginç olan ise aynı anda hem spin down hemde spin up durumunda olabilmeleri. Ancak spin'i ölçmeye kalkarsanız sadece spin down yada spin up durumlarından birine geçerler. Ölçümden önce elektron kuantum süperpozisyon denilen bir durumda bulunmaktadır.

Süperpozisyon durumundaki elektronlar %64 oranında spin up durumunda, %36 oranında ise spin down durumunda olabilirler. Bunlar bir elektrona baktığımızda, o elektronunun hangi spin durumunda olacağını gösteren ihtimallerdir. Bu durumda iki tane elektron için dört farklı durum söz konusu olmuş oluyor.

 

Elektronlar yada kübitler birbirlerine nasıl bağlanacak?

Kuantum dolaşıklığı sayesinde. Kuantum dolaşıklığı birbirinden bağımsız duran iki nesnenin birbiri ile etkileşimde olma durumudur. Kuantum bilgisayarlar qubitleri birbiriyle dolaşıklığa sokarak çalışıyor. Bu sayede kuantum bilgisayarlar tek bir işlemci ile çok sayıda işlem yapabiliyor. Böylece dev veri merkezlerinden kurtulup daha az yer kaplayan ve daha az elektrik tüketen cihazların önünü açmış olacak. Daha az elektrik tüketmeleri sayesinde ise termik santrallerin çalışma gücünü azaltarak karbon emisyonunu düşüreceği, dolayısıyla küresel ısınmayı yavaşlatacağı düşünülüyor.

 

Klasik bilgisayarların yerini alabilirmi?

Bu durumda gelecekte kuantum bilgisayarlar klasik bilgisayarlarımızın yerini de alabilir şeklinde düşünebilirsiniz. Ancak durum sandığımız gibi değil. Kuantum bilgisayarlarında kendilerine göre belirli dezavantajları bulunmaktadır.

Bahsettiğimiz gibi kübitlerin birçok farklı kombinasyonları bulunmalarına karşın kübitlerin durumunu ölçmeye çalıştığınızda temel duruma 1 yada 0 durumuna geçiş yapıyorlar ve ölçümden önce ayarlanmış olan tüm bilgiler kayboluyor. Kuantum fiziğinde buna olasılık dalga fonksiyonunun çökmesi adı veriliyor.

Elektronlar çok hassas yapılardır. Çevreyle olan en ufak etkileşimlerinde süperpozisyon durumunu bırakırlar. Bu sebeple elektronları çevreden tümüyle izole etmek gerek. Bunun için elektronları izole bir çevrede soğutuyorlar. Bu izole çevre uzay boşluğundan 150 kat daha soğuk bir ortam. Bu şekilde elektronların süperpozisyon durumunda kalmaları sağlanıyor.

D-Wave Sytems şirketi, kuantum bilgisayarları laboratuar ortamından çıkarmak için süperiletkenlerden yararlanmayı denedi. Çünkü süperiletkenler elektriği hiç direnç göstermeden iletebiliyor. Qubitleri dolaşıklığa sokmak için elektronları teker teker yönlendirmek lazım ve süperiletkenler de elektriği bunu başaracak kadar iyi iletiyor. Bununla birlikte, elektronların güvenle dolaşıklığa sokulması için süperiletkenlerin aşırı soğutulması gerekiyor ve bunu başarmanın tek yolu kapalı devre bir soğutma sistemi kullanmaktan geçiyor. Ancak, kuantum bilgisayarların düzgün çalışması için ayrıca izole bir çevrede olması gereklidir. Kuantum bilgisayarların telefon sinyallerinden dahi izole edilmesi gerekiyor. Bu sebepten ötürü şuanda kuantum bilgisayarlar bir oda büyüklüğünde yer kaplamaktadır. Yani söz konusu elektronları yalıtmak için neredeyse yıldızlar arası uzay boşluğu kadar boş bir vakumda tutuyorlar.

Dolayısıyla kuantum bilgisayarların günümüz bilgisayarlarının yerine geçemeyeceği düşünülüyor. Ayrıca mevcut kuantum bilgisayarlar ile klasik bilgisayarlar arasında yapılan bazı benchmark sonuçlarına göre kuantum bilgisayarlar belirli işlemleri klasik bilgisayarlara göre yüzlerce kat hızlı yaparken bazı işlemlerde ise klasik bilgisayarların kuantum bilgisayarlara göre yüzlerce kat hızlı yaptığı ortaya çıktı. Dolayısıyla video izlemek gibi normal kullanıcı işlemlerinde kuantum bilgisayarların bir etkisinin olmayacağı aşikar. Ancak iş evren ile alakalı simulasyonlar, dev matematiksel hesaplamalar veya dev boyutlu verileri işlemek gibi konulara geldiğinde kuantum bilgisayarların bu işler için farkını ortaya koyacağı aşikar. Dolayısıyla her çeşit işlemde kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarları geride bırakacağını söyleyemeyiz. Çünkü bazı işlemleri kuantum bilgisayarlar çok daha uzun adımda tamamlayabiliyor. Mesela 5 adımlık bir işlemi 100 adımda tamamlamak gibi.

 

Qubit devreleri nasıl Çalışıyor?

D-Wave şirketinin kuantum çipleri niobyum denilen bir alaşım ile kaplanmış devrelerden oluşuyor. Bu devreler mikroskobik tel halkalar şeklinde örülüyor ve tel halkaların üzerinden geçen elektrik akımlarını saat yönünde 0 veya saat yönünün tersinde 1 döndürür. Spin up durumdaki elektronlar halkanın soluna, spin down olanlar ise sağına doğru döner. Qubit durumunda ise süperpozisyon oluşur ve sisteme bakılmadığında, elektrik akımları aynı anda hem sağa hem de sola doğru döner. Vezüv kuantum bilgisayarı kuantum halkalarının dönme yönünü değiştirip qubitleri tek bir değere, yani 0 veya 1’e döndürür ve işlemleri tamamlar. Bunun için özel kuantum algoritmaları kullanılıyor. Qubitler veriyi bu algoritmaları kullanarak işler. Vezüv'ün avantajı birden çok qubiti hızlıca oluşturup dolaşıklığa sokması ve laboratuar modellerinin aksine, qubitleri kullanarak gerçek bilgisayar işlemleri yapabiliyor olması. Ancak ilk denemelerde Vezüv’ün 503 qubit kapasitesinde çalıştığını görüyoruz ve geri kalan 9 qubit hata veriyor. Bu duruma optimizasyon sorunu deniyor. Kuantum bilgisayarlar düzgün ve hızlı çalışabilmek için bir takım optimizasyonlara ihtiyaç duymakta. Dolayısıyla dev veri merkezlerinin kuantum bilgisayarlara emanet edilmesi konusunda şimdilik kuantum bilgisayarların önünde uzun bir yol olduğunu söyleyebiliriz.

 

Kaynaklar

1) https://www.youtube.com/watch?v=g_IaVepNDT4

2) http://www.evrimagaci.org/fotograf/40/7636

3) http://www.dwavesys.com