Önce kuantum fiziğinin ne olduğuyla başlayalım:
Kuantum fiziği, doğanın en küçük yapı taşlarının nasıl çalıştığını anlamaya çalışan bir bilim dalıdır. Bu küçük parçacıkların bazen birden fazla yerde olabilmesi, dalga gibi hareket etmesi ya da birbirine görünmez şekilde bağlı olması gibi garip ama gerçek özelliklerini açıklar. Büyük cisimlerin dünyasında geçerli olan fizik kuralları, bu küçük parçacıklarda farklı çalışır ve kuantum fiziği bu gariplikleri anlamaya çalışır. Bir şey bazen parçacık (örneğin bir top gibi), bazen de dalga (örneğin su dalgaları gibi) gibi davranır. Örneğin, ışık hem bir dalga gibi yayılır hem de küçük enerji paketleri (fotonlar) gibi davranır. Buna dalga-parçacık ikiliği denir.
Bir parçacık (örneğin bir elektron) aynı anda birden fazla yerde veya durumda olabilir. Ancak, gözlem yaptığında (ona baktığında), sadece bir yerde ya da bir durumda olduğunu görürsün. Bir parçacığın tam olarak nerede olduğunu ve ne hızla hareket ettiğini aynı anda bilemezsin. Örneğin, bir topun nerede olduğunu ve hızını aynı anda ölçebilirsin ama bir elektronda bu mümkün değildir. İki parçacık birbirine “dolanık” hale geldiğinde, biri üzerinde yapılan bir işlem diğerini anında etkiler. Bu, parçacıklar arası “görünmez bir bağ” gibidir ve bu etki mesafeden bağımsızdır.
Kuantum bilgisayarlar bu kuantum prensiplerinden yola çıkarak hayata geçirilmiş sihire yakın aletlerdir. Bu sihrin nereden geldiğini anlamaya çalışalım:
Klasik bilgisayarlar verileri 0 ve 1 (bit) olarak işlerken, kuantum bilgisayarlar qubit adı verilen birimler kullanır. Qubit, aynı anda hem 0 hem de 1 olabilir (süperpozisyon), bu da bazı problemleri çok daha hızlı çözmelerini sağlar. Ayrıca, qubitler arasında dolanıklık gibi özellikler sayesinde, bilgiyi paylaşma ve işlem yapma biçimleri çok daha güçlüdür.
Bunu daha da açmak gerekirse:
Klasik Bilgisayar ile hesap yaptığınızda bitlerle çalışırsınız ve bunlar 0 ya da 1 olabilir. Mesela 3 bit kullandığınızda bu bitler yalnızca şu 8 durumdan (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111) biri olabilir. Bu nedenle, bir klasik bilgisayar bu 8 durumun her birini tek tek hesaplamak zorundadır.
Kuantum Bilgisayar klasik bir bilgisayarın tek tek hesaplayacağı birçok olasılığı eşzamanlı olarak değerlendirmeyi sağlar. Qubitler süperpozisyon sayesinde bu 8 durumun hepsini aynı anda temsil edebilir.
Örneğin, bir problemde 1 milyon farklı olasılık varsa klasik bilgisayar bu 1 milyon olasılığı sırayla dener. Kuantum bilgisayar ise qubitlerin süperpozisyon durumu sayesinde bu 1 milyon olasılığı tek bir hesaplama adımında değerlendirir.
Bir labirent örneği verelim: Labirentten çıkmak için klabik bilgisayar her yolu ayrı ayrı dener ve çıkışa gelinceye kadar denemesini sürdürür. Eğer bir milyon farklı yol varsa bir milyon kez bunu denemek zorunda kalabilir. Ancak kuantum bilgisayar bu süperpozisyon durumu sayesinde büyük resmin tamamını görür ve çıkışa tek seferde ulaşır.
Kuantum bilgisayar nasıl çalışır?
Kuantum bilgisayarların çalışması için gereken donanım, klasik bilgisayarlardan çok daha farklı ve karmaşıktır. Bunun temel nedeni, kuantum bilgisayarların kuantum mekaniği gibi fizik yasalarını kullanması ve bu yasaların çok hassas koşullarda çalışmasıdır. Qubit’ler atom altı parçacıklardan oluştuğu için aşırı hassastır. Çevresel faktörler (sıcaklık, titreşim, manyetik alanlar) qubit’lerin çalışmasını bozabilir. Kuantum bilgisayarların qubit’lerini korumak için aşırı düşük sıcaklıklar gerekir (neredeyse -273 derece, yani mutlak sıfırın hemen üstü). Tabi ki süper iletken malzemeler kullanılmalıdır. Qubit’leri kontrol etmek için özel lazerler veya mikrodalga sinyalleri gerekir. Qubit’in durumunu doğru ölçmek için ileri teknoloji dedektörler kullanılır.
Kuantum bilgisayarlar, klasik bilgisayarlara tamamen bağımlı çalışır. Klasik bilgisayarlar verileri hazırlar, kontrolü sağlar ve sonuçları okur.
Kuantum bilgisayarlar genellikle büyük bir laboratuvar ortamına ihtiyaç duyar. Örneğin, IBM’in kuantum bilgisayarları, büyük bir buzdolabına benzeyen dev donanımlardır.
Türk kuantum bilgisayarı hazır mı?
Geçtiğimiz günlerde Türk yetkilileri tarafından yapılan açıklamada dünyada 15 civarı ülkede kuantum bilgisayar olduğu söylendi. IBM uzun yıllar bu konuda lider oldu. Ardından Çin çok ciddi süper bilgisayarlar ürettiğini “müjdeledi”. En son Google dünyanın en büyük süper bilgisayarını, 53 qubit ile yaptığını açıkladı.
Amerika Birleşik Devletleri, Çin, Japonya, Almanya, Kanada, İngiltere, Hollanda, Avustralya, Fransa ve İsrail gibi ülkelerin yerleşik şirketleri ve üniversitelerinde kuantum bilgisayar olduğu biliniyor.
Cumhurbaşkanlığı Savunma Sanayii Başkanı Haluk Görgün, kuantum yol haritası kapsamında kısa dönemde ürüne dönüştürebilecekleri birtakım programları öncelediklerini belirtti. Görgün, Türkiye’nin önemli kurumlarının da kuantum alanında çalıştığına işaret ederek, 2035 yılında kuantum teknolojilerinin pazar büyüklüğünün 2 trilyon dolar olmasının öngörüldüğünü söyledi.
TOBB Başkanı Rifat Hisarcıklıoğlu Türkiye’nin ilk kuantum bilgisayarı QuanT için şu değerlendirmelerde bulundu: “QuanT, yani ‘Quantum Computer of TOBB ETÜ’, Türkiye’nin teknoloji vizyonunu ileriye taşıyan bir semboldür. Türkiye, kuantum bilgisayar geliştiren dünyadaki sayılı ülkeler arasına girdi. Şu an dünyada kuantum bilgisayar teknolojisine sahip yalnızca 15 ülke bulunmaktadır. Biz, bu teknolojiye sahip olan az sayıdaki ülkeden biri olmanın haklı gururunu yaşıyoruz.”
Quant süper bir başlangıç. Başlangıç diyşorum çünkü 5 qubitlik bir bilgisayardan bahsediyoruz. 5 qubiti küçümsemek için söylemiyorum ama rakamlar şunu gösteriyor: IBM’in açıklamalarına göre 5 quibitlik bir bilgisayarı bir süper bilgisayarla simüle edebilmek mümkün. Ama örneğin 53 quibitlik bilgisayarın 200 saniyede yaptığı işlemi yerine getirmek için 10 bin yıl gerekiyor. Burada 2’nin üslerinden bahsediyoruz. 2 üssü 5 32 yapar. Ancak 2 üssü 50 1,1 katrilyondur.
Şu anda bize sunulan bilgisayar tasvir edilen kuantum bilgisayar değil. Ancak bir başlangıç noktası gerekiyordu ve o noktaya geldik sanırım. Bundan sonrasını tam destekle takip edeceğiz.
Kuantum bilgisayarı üretebilmek için ne gerekiyor?
Kuantum bilgisayar yapabilmek için oldukça geniş bir bilgi birikimine sahip olmak gerekiyor. Bu bilgi birikimi, hem teorik hem de pratik disiplinlerden oluşur. İşte temel alanlar ve öğrenilmesi gereken konular:
Kuantum Mekaniği (Temel Prensipler)
Kuantum bilgisayarların kalbinde kuantum mekaniği yatar. Bu nedenle kuantum mekaniği kavramlarını anlamak zorunludur:
- Süperpozisyon ve Dolanıklık: Qubit’lerin nasıl çalıştığını anlamak için bu kavramlar kritik.
- Heisenberg Belirsizlik İlkesi: Ölçüm ve bilgi arasındaki ilişkiyi anlamak.
- Kuantum Halleri ve Operatörler: Qubit’lerin matematiksel olarak nasıl tanımlandığını bilmek.
Bilgisayar Bilimi ve Algoritmalar
- Kuantum Algoritmalar:
- Shor Algoritması: Şifre çözme ve asal çarpanlarına ayırma.
- Grover Algoritması: Veri tabanı arama.
- Kuantum Turing Makineleri: Kuantum bilgisayarların teorik temelini anlamak.
- Kuantum Devreleri: Qubit’ler arasındaki kapı operasyonlarını öğrenmek.
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği
- Mikrodalga Teknolojisi: Qubit’leri kontrol etmek için gerekli.
- Kriyojenik Sistemler: Süperiletken qubit’ler için çok düşük sıcaklıkların nasıl sağlanacağını bilmek.
- Analog ve Dijital Devreler: Qubit’leri çalıştıran donanımı tasarlamak.
Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji
- Süperiletken Malzemeler: Qubit’lerin stabil çalışmasını sağlamak.
- Tuzaklanmış İyon Sistemleri: İyonların manyetik alanlarda nasıl tutulacağını anlamak.
- Fotonik ve Optik Malzemeler: Işık parçacıklarıyla çalışan kuantum bilgisayarlar için gerekli.
Matematik ve Lineer Cebir
- Lineer Cebir:
- Vektörler ve matrisler (qubit durumlarını tanımlamak için).
- Hermit ve birim matrisler.
- Olasılık ve İstatistik: Kuantum mekaniğinin belirsizlik doğasını anlamak.
- Soyut Matematik: Kuantum devrelerinin ve algoritmalarının mantığını anlamak.
Fizik ve Kriyojenik Sistemler
- Düşük Sıcaklık Fiziği: Kriyojenik sistemlerle mutlak sıfırın yakınında çalışmayı anlamak.
- Katıhal Fiziği: Süperiletken qubit’ler gibi fiziksel sistemlerin işleyişi.
Programlama ve Yazılım Geliştirme
- Kuantum Programlama Dilleri:
- Qiskit (IBM’in açık kaynaklı kuantum programlama platformu).
- Cirq (Google tarafından geliştirilmiştir).
- Simülasyon Yazılımları: Gerçek kuantum bilgisayarları olmadan önce teorik testler yapmak için kullanılır.
Ekip Çalışması ve Disiplinlerarası Bilgi
- Fizikçiler, qubit’lerin temel prensiplerini geliştirir.
- Mühendisler, cihazların donanımını inşa eder.
- Yazılım Geliştiriciler, algoritmaları ve yazılımları yazar.
