Kuantum hesaplama nedir? Temel kavramlar ve kullanımlar

Kuantum bilişimin ne olduğunu, nasıl çalıştığının temellerini ve bu büyüleyici alan hakkında daha fazlasını öğrenmek için ihtiyaç duyacağınız becerileri öğrenin.

Bilgisayar teknolojisi son birkaç on yılda uzun bir yol kat etti. Bilgisayarlar katlanarak küçülüyor ve güçleniyor, bu da bize birçok ilerleme sağlıyor. Ancak, bilgisayar parçalarının boyutunun fiziksel sınırlarına hızla yaklaşıyoruz, bu da belirli alanlarda gelişmek için yeni çözümlere ihtiyacımız olduğu anlamına geliyor. Kuantum hesaplama cevap olabilir. 

Burada, bir tanım, kuantum bilgisayarların nasıl çalıştığına bir bakış, teknolojinin avantajları ve dezavantajları ve bu alan hakkında daha fazla bilgi edinmek için ihtiyaç duyacağınız beceriler de dahil olmak üzere kuantum hesaplamanın temellerine bir göz atacağız. 

Kuantum hesaplama nedir?

Kuantum bilgisayar, sıradan bilgisayarlar ve hatta süper bilgisayarlar için fazla karmaşık olan sorunları çözmek için kuantum fiziğinin bazı benzersiz özelliklerinden yararlanan bir makinedir. Kuantum hesaplama alanı, enerji ve maddenin atom altı düzeyde davranış biçimlerinden yararlanan teknoloji geliştirmeye odaklanır. 

Bireysel atomlar, elektronlar ve temel parçacıklar düzeyinde geçerli olan fizik yasalarını tanımlamak için ‘kuantum’ kelimesini kullanıyoruz. Bu mikroskobik düzeyde, fizik yasaları günlük hayatımızda deneyimlediklerimizden farklıdır. 

Kuantum hesaplama, mevcut dijital bilgisayarlarımızın (en azından kısa zaman ölçeklerinde) yapamayacağı görevleri ve hesaplamaları gerçekleştirmek için bu farklı fiziği manipüle etmeyi ve kontrol etmeyi amaçlar. 

Kuantum hesaplama kavramı nispeten yenidir ve yakın zamana kadar büyük ölçüde teorik bir alan olmuştur. İlk devre tabanlı ticari kuantum bilgisayar, IBM tarafından yalnızca 2019’da tanıtıldı. Aynı yıl, Google’daki bilim adamları da kuantum bilgisayarlarının geleneksel süper bilgisayarların ötesinde bir seviyede  çalıştığını iddia ettiler .

Kuantum hesaplama nasıl çalışır? 

Tahmin edebileceğiniz gibi kuantum hesaplama, uzman olmayanların anlaması zor olan karmaşık bir alandır. Bununla birlikte, size kuantum bilgisayarların nasıl çalıştığına dair temel bir anlayış kazandıran bazı temel kavramları kavramak mümkündür. 

Burada, kuantum hesaplamanın temellerinden bazılarının ana hatlarını çizeceğiz. Daha ayrıntılı bir değerlendirme için, Keio Üniversitesi’ndeki  kuantum bilgisayarları anlama kursumuz daha fazla bilgi içermektedir.

Kuantum hesaplamanın nasıl çalıştığını anlamak için anlaşılması gereken birkaç temel kavram vardır. Aşağıda, bunlarla ilgili bazı basit açıklamalar yaptık: 

Qubit’ler 

Qubit’lerle ilgili açık adımımızda keşfettiğimiz gibi , geleneksel bilgisayarlar bitler üzerine kuruludur. Bu bitler (ikili basamakların kısaltması), iki farklı konfigürasyonun ölçülebildiği bilgi işlemdeki temel bilgi birimleridir. Açık veya kapalı, yukarı veya aşağı veya ikili olarak kodlanmış olarak 0’lar veya 1’ler olarak düşünülebilirler. 

Kuantum hesaplamada, kuantum bitleri veya kübitler, bu bilgisayarların nasıl çalıştığının temellerini oluşturur. Bu kübitler, iki duruma sahip olabilen kuantum-mekanik sistemlerden yapılabilir. Örneğin, bir elektronun dönüşü yukarı veya aşağı olarak ölçülebilir veya tek bir foton dikey veya yatay olarak polarize edilir. 

süperpozisyon 

0’lar veya 1’ler olabilen geleneksel bilgi işlem bitlerinin aksine, kübitler 0’lar veya 1’ler veya aynı anda her ikisinin bir karışımı olarak var olabilir. Süperpozisyon durumu olarak bilinen bu fenomen, tüm bilgi kombinasyonlarının aynı anda var olabileceği anlamına gelir. 

Qubit’ler bir araya getirildiğinde, tüm olası bilgi yapılandırmalarını aynı anda tutma yeteneği, karmaşık problemlerin geleneksel bilgi işlem yöntemlerine göre çok daha kolay temsil edilebileceği anlamına gelir. 

Konuyla ilgili açık adımımızda  süperpozisyonun ilkeleri ve özellikleri hakkında daha fazla bilgi edinebilirsiniz .

Dolaşma

Kuantum hesaplamanın bir diğer önemli kısmı, dolaşıklık olarak bilinen kuantum etkisidir. Basitçe söylemek gerekirse, bu fenomen iki kübit arasında bir korelasyon yaratır. Bu nedenle, iki veya daha fazla kübit birbirine karıştığında, birinde yapılan değişiklik diğerlerini etkileyebilir. 

Kuantum hesaplama algoritmaları bu prensibe dayalıdır ve karmaşık problemlerin normalde mümkün olandan çok daha hızlı çözülmesini sağlar. Yine, konuyla ilgili açık adımımızla  kuantum hesaplamada dolaşıklık hakkında daha fazla bilgi edinebilirsiniz .

IBM’in kuantum bilgisayarı nasıl çalışır?

IBM’in Quantum System One bilgisayarı, cam bir kasanın içine yerleştirilmiş girift ve süslü bir avizeyi andıran inanılmaz derecede karmaşık bir makinedir. IBM’e göre gerçek kuantum işlemci, sıradan bir dizüstü bilgisayar işlemcisinden çok daha büyük değil, ancak donanımın geri kalanı gelişmiş soğutma sistemlerinden oluşuyor. 

Kuantum işlemcilerin çalışması için mutlak sıfıra yaklaşan sıcaklık koşullarına ihtiyacı vardır ve IBM, bu koşulları oluşturmak için süper akışkanlar ve süper iletkenler kullanır. Daha sonra kubitlerin davranışını kontrol etmek için mikrodalga fotonları kullanırlar ve kuantum bilgisi üretmelerine izin verirler. 

Kuantum hesaplamanın avantajları ve dezavantajları 

En başta neden kuantum bilgisayarlara ihtiyacımız olduğunu merak ediyor olabilirsiniz. Tasarlanması, inşa edilmesi ve programlanması zordur. Dahası, kuantum fiziğinin doğası gereği hatalara, arızalara ve kuantum durumlarının kaybına tabidirler. 

Bununla birlikte, en azından teoride, kuantum hesaplamanın bazı belirgin avantajları vardır. Aşağıda, kuantum hesaplamanın bazı artılarını ve eksilerini seçtik: 

Kuantum hesaplamanın avantajları

• Hızlılar . Nihayetinde, kuantum bilgisayarlar, geleneksel bilgisayarların asla erişemeyeceği bir ölçekte hesaplama gücü sağlama potansiyeline sahiptir. Örneğin 2019’da Google, klasik bir süper bilgisayarı yaklaşık 10.000 yıl sürecek  bir hesaplamayı yaklaşık 200 saniyede gerçekleştirdiğini iddia etti.
• Karmaşık sorunları çözebilirler . Bir problem ne kadar karmaşıksa, bir süper bilgisayarın bile çözmesi o kadar zor olur. Klasik bir bilgisayar başarısız olduğunda, bunun nedeni genellikle çok büyük bir karmaşıklık derecesi ve etkileşim halindeki birçok değişkendir. Bununla birlikte, süperpozisyon ve dolaşıklık kavramları nedeniyle, kuantum bilgisayarlar bir çözüme ulaşmak için tüm bu değişkenleri ve karmaşıklıkları hesaba katabilir. 
• Karmaşık simülasyonlar çalıştırabilirler . Kuantum hesaplamanın başarabileceği hız ve karmaşıklık, teoride, bir kuantum bilgisayarının birçok karmaşık sistemi simüle edebileceği ve hayatın bazı büyük gizemlerini daha iyi anlamamıza izin verebileceği anlamına gelir. 

Kuantum hesaplamanın dezavantajları

• İnşa etmeleri zordur . IBM’in Quantum System One ürününde gördüğümüz gibi, işlevsel bir kuantum bilgisayarının çalışması için çok özel bir dizi koşula ihtiyacı vardır. Temel düzeyde bile çalışmak için benzersiz bileşenlere, devasa soğutma sistemlerine ve pahalı teknolojiye ihtiyaç duyarlar. 
• Hatalara eğilimlidirler . Kuantum mekaniğinin ve kübitlerin doğası gereği, çevresel faktörler kısa sürede hatalar üretebilir ve kuantum durumlarını kaybedebilir (eşevresizlik olarak bilinen bir süreç). Bu hatalar karmaşıklık düzeyleriyle çoğalır, bu da potansiyellerine ulaşmak için bir hata düzeltme çözümüne ihtiyaç duyulduğu anlamına gelir. 
• Yalnızca belirli görevler için uygundurlar. Göreceğimiz gibi, kuantum bilgisayarlar bazı belirli alanlarda devrim niteliğinde çözümler sunma potansiyeline sahiptir. Ancak, çalışma biçimlerinin doğası gereği, bilgisayarların tüm alanlarında avantaj sağlamaları beklenmemektedir. 

Kuantum hesaplama ne için kullanılır? 

Dikkatimizi kuantum hesaplamanın bazı kullanımlarına çevirelim. IBM Quantum Service gibi teşvikler sayesinde kuruluşlar bulut tabanlı kuantum bilişime erişebilir. Peki ne için kullanılabilir? 

Aşağıda, bazı mevcut ve potansiyel kuantum hesaplama uygulamalarını vurguladık: 

• Moleküler modelleme . Mevcut süper bilgisayarlarla bile, atomları ve molekülleri herhangi bir doğrulukla simüle etmek zordur. Kuantum fiziğini simüle etmek için kuantum hesaplamayı kullanmak, pillerin nasıl çalıştığı veya proteinlerin nasıl etkileşime girdiği gibi konularda yeni bilgiler sağlayabilir ve bu da enerji depolama ve tıpta devrim yaratmaya yardımcı olabilir. 
• Veritabanı araması . Kuantum bilgisayarların sorunları çözme biçimi göz önüne alındığında, geleneksel bilgisayarlardan çok daha hızlı bir şekilde büyük miktarda veriyi depolamak ve aramak için kullanılabilirler. 
• kriptografi _ Tam işlevli bir kuantum bilgisayar potansiyel olarak mevcut şifreleme biçimlerinin çoğunu kırmak için kullanılabilir ve bu da siber güvenlik için büyük bir endişe kaynağı olacaktır. Bununla birlikte, kuantum geçirmez kriptografiyi denemek ve oluşturmak için çalışmalar devam etmektedir. Kuantum bilişim , siber ve ağ güvenliğinin geleceğinin hayati bir parçası olabilir . 
• Hava tahmini . Meteoroloji alanında, tahminler oluşturmak için çok büyük miktarda veriye ve birçok farklı değişkene ihtiyaç vardır. Süper bilgisayarlar bile hava durumunu büyük bir doğrulukla tahmin etmekte zorlanıyor. Kuantum hesaplama, hava durumunu tahmin ettiğimiz karmaşıklık düzeyinde bir artış sağlayabilir. 

Kuantum hesaplama nasıl öğrenilir

Kuantum bilişim hakkında daha fazla bilgi edinmek istiyorsanız veya sonunda sektöre girmek istiyorsanız, yararlı olabilecek birkaç beceri vardır. Aşağıda, uzmanlığınızı geliştirmek isteyebileceğiniz bazı alanların altını çizdik: 

• Matematik _ Ayrıntılı bir ileri matematik bilgisi, kuantum hesaplama alanında inanılmaz derecede faydalıdır. Gelişmiş algoritmalar, veri analitiği gibi alanların bilgisi gibi, genellikle alanın merkezinde yer alır . 
• fizik _ Tartıştığımız gibi, kuantum fiziği kuantum hesaplamanın temelini oluşturur. Fizik ve teknoloji arasındaki bağlantıyı anlamak, alana girmek isteyenler için son derece faydalı olabilir. 
• programlama _ Bir diğer önemli alan da kod yazma ve anlama becerisidir. Kuantum hesaplamadaki anahtar programlama dillerinden biri , endüstride sıklıkla kullanılan Qiskit yazılım geliştirme kitinin temelini oluşturan  Python’dur .

Bunlar, kuantum hesaplamada çalışmak için temel becerilerden bazılarıdır. Ancak, bu büyüleyici makinelerin tam olarak nasıl çalıştığını anlamanıza yardımcı olabilecek çeşitli açık kaynaklı platformlar ve web siteleri vardır. 

Kuantum bilişim teknolojinin geleceği mi? 

Kuantum hesaplama alanı henüz başlangıç ​​aşamasındadır. Gördüğümüz gibi, teknoloji hala kusurlu ve pek çok bilinmeyenle birlikte kullanılması zor. Bununla birlikte, kuantum bilgisayarların mevcut ve potansiyel kullanımları, çevremizdeki dünyayı anlama şeklimizi değiştirebilir. 

Ayrıntılı modellerden ve simülasyonlardan önemli ölçüde daha hızlı problem çözmeye kadar, kuantum bilgisayarlar önemli bir potansiyele sahiptir. Bununla birlikte, bu potansiyelin tam olarak farkına varıp varamayacağımız görülecektir. Google ve IBM gibi şirketler teknolojiye büyük yatırımlar yapıyor, bu nedenle önümüzdeki yıllarda daha fazla ilerleme görmeyi bekleyebiliriz.