Kuantum bilgisayarların çalışma sistemleri ve mevcut bilgisayarlardan farklılıkları:
Ana farklılıklar
Bu bağlamda, aşağıda açıklamaya çalışacağımız klasik ve kuantum bilgisayarlar arasındaki üç temel farkı anlamanın, kuantum bilgisayarların nasıl çalıştığını anlamamıza yardımcı olacağını umuyoruz.
İlk temel fark, iki sistemin bilgi işlem birimlerinde belirtilmiştir. Klasik bilgisayarlar, bilgi depolamak ve işlemek için en küçük birim olan bitlerden yapılır. Bu fiziksel birimler yalnızca ‘0’ ve ‘1’ ile temsil ettiğimiz bir durumda olabilir. Öte yandan, kuantum bilgisayarlar kübitlerden oluşur. Fiziksel sistemler olarak kübitler, klasik bilgisayar sistemlerinde 0 ve 1 durumlarına sahip olabilir, ancak 0 ile 1 arasında sonsuz olan başka durumlara da sahiptirler. Bu ara durumlara süperpozisyon durumları denir. Bu ara durumların varlığı sayesinde bir kübit, normal bir klasik kübitten daha fazla bilgiyi aynı büyüklükteki bir fiziksel alana sığdırmamızı sağlar.
Şekil 3: Bitler ve Qubitler (www.qubit.org)
Klasik bilgisayarlar ile kuantum bilgisayarlar arasındaki ikinci önemli fark, onlar üzerinde gerçekleştirebileceğimiz mantıksal işlemlerin yakınlığı ve aralığıdır.
Klasik bilgisayarlar ikili mantığa göre çalışır. Örneğin AND geçidi gibi mantık kapıları kullanılırken giriş olarak iki bit alınır ve çıkış olarak sadece bir bit alınır. Kuantum mantık kapıları, bir veya daha fazla kübiti girdi olarak alır ve bir veya daha fazla kübiti çıktı olarak verir. Qubit’lerin 0 ve 1 olmak üzere iki klasik duruma karşılık gelen durumlarda bulunabileceği göz önüne alındığında, klasik mantık kapılarının kolayca simüle edilebileceğini söyleyebiliriz. Klasik mantık kapılarının daha genel kuantum mantık kapılarının özel durumları olduğunu bile varsayabiliriz. Bununla birlikte, kübitlerde 0 ile 1 arasında iç içe geçmiş diğer ara durumların varlığı, yakınsamayı ve olası kuantum mantık kapılarının sayısını büyük ölçüde artırır. Örneğin, 0 ve 1’i girdi olarak alan ve karşılık gelen 0 ile 1 arasında farklı girişim durumları oluşturan kuantum mantık kapılarını kullanabiliriz. Böyle bir kuantum mantık kapısının klasik sistemde benzeri yoktur. Kuantum bilgisayarları, bu genişletilmiş kuantum mantık kapıları yelpazesinden yararlanarak muazzam bilgi işlem gücüne ulaşabilir.
Klasik bilgisayarlar ile kuantum bilgisayarlar arasındaki üçüncü önemli fark, çalışan bir bilgisayarın ne durumda olduğunu anlamaya çalıştığımızda ortaya çıkar. Klasik bilgisayarda, bilgisayardaki bitlerin durumunu her an mükemmel bir doğrulukla bilebiliriz. Garip bir şekilde, bir kuantum bilgisayarın hangi durumda olduğunu bilmek teorik olarak imkansızdır. Bir kuantum bilgisayarı oluşturan kübitlerdeki gizli kabuğun tam durumunu belirleyemeyiz. Yani, herhangi bir anda bilgisayarın durumu hakkında yalnızca kısmi bilgi edinebiliriz. Bu nedenle, kuantum bilgisayarlar için algoritmalar tasarlamak, çok çeşitli kuantum mantık işlemleri ve durumlarından yararlanmaya çalışırken bilgisayar içindeki bilgilere sınırlı erişim arasında hassas bir denge kurmaya çalışmak anlamına gelecektir.
uygulamalar ve sonuç
Tüm kuantum bilgi işleme çalışmaları teorik olarak bir kuantum makinesi varsayımıyla ilerler. Kuantum bilgisayarlarla neler yapabileceğimize dair bilgiler hala çok sınırlı olsa da bazı ilginç bulgular var. Bu konuda yapılan çalışmalarda en önemli iki bulgu şudur: Çok büyük sayıların asal çarpanlarının hesaplanması. ve kuantum mekaniği sistemlerinin simülasyonu. Her iki sorun da pratik açıdan inanılmaz derecede önemlidir ve klasik bilgisayarları kullanarak çözmenin çok zor olduğuna inanılmaktadır. Araştırmacılar bu problemler için kuantum bilgisayarlarda çalışacak bir takım algoritmalar geliştirdiler. Bu algoritmalar şu anda iyi bilinen klasik algoritmalardan daha verimli çözümler sunmaktadır.
7 KB işlemci
Şekil 4: Bir molekülden (C11H5F5O2Fe) oluşan 7 kübitlik bir kuantum bilgisayar.
Klasik aritmetik ile yapıldığında çok büyük bir tamsayının elemanter çarpanlarına ayrılması külfetli olabilir. Bu nedenle, İnternet sayfaları, şifrelenmiş e-posta mesajları ve diğer birçok genel bilgi, çok büyük asal çarpanlardan oluşan tamsayı anahtarları kullanılarak korunmaya çalışılmıştır. Burada belirtilen varsayımlardan yola çıkarak geliştirilen RSA şifreleme algoritması, güvenlik gerektiren hemen hemen tüm İnternet işlemlerinde kullanılmaktadır. Ancak Peter Shore’un 1994’te yayınlanan kuantum bilgisayarlar için geliştirdiği tamsayıların temel ayrıştırma algoritması, bir kuantum bilgisayarının bu tür şifreleri çok kolay bir şekilde çözebileceğini gösterdi. Bunun için gerekli olan tek koşul, yeterli sayıda kübite sahip bir kuantum bilgisayarın fiziksel varlığıdır. Kuantum hesaplama teorisini popüler yapan en önemli özellik budur.
Kuantum hesaplama teorisindeki en önemli sorun, kuantum bilgisayarının kendisinin fiziksel tasarımıdır. Şekil 4’te gördüğümüz, IBM ve MIT’den araştırmacıların ortak çalışmasıyla oluşturulmuş, fiziksel olarak bilinen en gelişmiş kuantum bilgisayardır. Araştırmacılar, Shor’un ana çarpanlarına ayırma algoritmasının bu tamamen uyumlu 7-qubit bilgisayar için çalıştığını gösterdi. Sadece 24 atomdan (C11H5F5O2Fe) oluşan bu kuantum bilgisayar ile 15 tanesini analiz edebiliyoruz. Beş flor atomu ve iki karbon-13 atomu, kübitler gibi molekül üzerinde hareket eder. Çünkü ikisi de birbiriyle etkileşim içindedir ve ayrı ayrı programlanabilir. Yüksek enerjili radyo frekanslarına maruz kaldıklarında enerji seviyeleri değişir ve klasik anlamda yazma gerçekleşir. NMR’den geçtiğinizde, enerji seviyesi spesifik olduğu için okuma yapılır.
Yukarıdaki uygulamaya ek olarak, Japonya’daki bir araştırma grubu yakın zamanda kuantum bilgisayarlar için yapı taşları olarak temel kuantum mantık kapıları önerdi ve bu önerilen yapılardan bir katı hal cihazı oluşturdu.
Muhtemel kuantum mantık kapılarının çeşitliliği göz önüne alındığında, tüm kuantum sistemleri için önerilecek bu tür yapı taşlarından bahsetmek ne kadar doğru olur? Belki de kuantum bilgisayarların fiziksel tasarımındaki gerçek büyük ilerlemeler, ancak klasik fizik uygulamalarından farklı yöntemler kullanıldığında elde edilebilecektir.
“Yetkilendirme” tam olarak nedir?
Burada tam olarak ne olduğunu açıklayamayız. Aşağıdaki açıklamayı ancak fikir vermesi açısından verebiliriz. “Dolaşıklık” veya Türkçe’de “dolanıklık”, “kuantum korelasyon” demektir. Öncelikle “çağrışım” ile ne demek istediğimizi bir örnekle açıklayalım. Bazen gazetelerde görebileceğiniz tipik bir tıbbi raporu düşünün: “Sabahları marul yiyenler daha az kanser oluyor.” Burada iki “sistem” yani kişinin kahvaltı alışkanlıkları ile sağlığı arasında bir ilişki kurulur. Tüm denekler dikkate alındığında rastgele bir dağılım gösterdiğine inanılmaktadır. Bu nedenle, tüm insanlardan bazıları sabahları marul yer, bazıları yemez. Yine, bazı insanlar kanser olur, bazıları olmaz. Korelasyon, bu iki rastgele dağılım arasında bir ilişki olduğunu gösterir. Bu nedenle, insanların belirli bir yüzdesi kansere yakalanırsa, sabah marulu yiyenlerin daha düşük bir yüzdesi kansere yakalanır ve kansere yakalanmayanların daha büyük bir yüzdesi kanser olur. Benzer şekilde, kanserli kişilerin daha küçük bir yüzdesi sabahları marul yer. Bu ilişki türüne korelasyon denir. Dolayısıyla, A özelliğinin bilinen bir dağılımı varsa ve bu dağılım B özelliğinde değişiyorsa (farklı olasılıklar), o zaman A ve B arasında bir korelasyon olduğunu söyleriz. Korelasyon, iki özellik arasında bir tür ilişki olduğu anlamına gelir: bazen bir neden -ve-etki ilişkisi (“Marul yemek evrimsel kanseri önler” veya “Kanserli kişilerin tedavi konusunda endişe duydukları için marul alıp yemeye zamanları yoktur”). Bazen geçmişte yaşanan bir olayın bu iki özelliği etkilediği anlamına gelebilir. Örneğin, sigara önemli bir kanser nedenidir ve sigara içenler marul yemekten hoşlanmazlarsa, o zaman marul ve kanser arasında bir ilişki olacaktır.
Korelasyon, iki sistemin kuantum durumları arasındaysa, bu duruma ‘dolaşma’ diyoruz. Bu örnek ile yukarıdaki örnek arasındaki fark, yukarıdaki tüm insanları düşündüğümüzde rastlantısallığın ortaya çıkmasıdır. Kuantum durumunda, tek bir sistem için (örneğin, belirli bir insan, belirli bir atom) rastgelelik vardır çünkü bu, kuantum fiziğinin bir özelliğidir. Örneğin, parçacık konumu kuantum fiziğinde bir belirsizlik içerir. Ölçünün birçok olası değerden yalnızca birini üretmesini sağlayın. Rastgelelik, kuantum sistemlerinin doğasında vardır. Bu nedenle, iki farklı sistem (bir atom ve başka bir atom, bir atom ve bir foton) arasında bir ilişki oluşabilir. Aynı şekilde, tek bir parçacığın iki farklı özelliği arasında bir korelasyon oluşabilir. Örneğin konum ve hız. Parçacık soldaysa ve hızı büyükse ve sağda hızı küçükse, o zaman konum ve hız arasında bir ilişki olduğunu söyleriz. Daha doğrusu, konum ve hızın “iç içe geçmiş” olduğunu söylüyoruz. Dolaşma genellikle geçmişin iki sistem veya özellik üzerindeki etkisinden kaynaklanır. Örneğin kuvvet, hem konumu hem de hızı etkilediği için konum ve hızın birbirine karışmasına neden olabilir.
Bu bağıntılar için “dolanıklık” gibi farklı bir kelime kullanmamızın nedeni, niceliksel bağıntıların yukarıdaki marul-yengeç örneğindeki gibi klasik bağıntılardan çok farklı özelliklere sahip olmasıdır (John Bell bunu bize ilk kez 1960’larda gösterdi). Tangle’ı ilginç kılan özellikler bunlar. Bu özelliklerin neler olduğunu maalesef burada açıklayamıyoruz. Bilim adamları bile bu korelasyonları ölçmek için çok karmaşık formüller kullanırlar. Dolanıklığın en ilginç özelliklerinden biri, güvenilirliği kesin olarak gösterilebilen (klasik sistemlerde bu mümkün değildir) kriptografik sistemlerin geliştirilmesine izin vermesidir.
kaynaklar:
Aleksander Chomovsky ve Erdal Arkan, “Lecture Notes on Quantum Computation and Communication,” Erişim tarihi: 2003.11.07, http://www.ee.bilkent.edu.tr/~qubit/n1.ps
David Deutsch, “Kuantum teorisi, Kilise-Turing ilkesi ve evrensel kuantum bilgisayarı”, Proceedings of the Royal Society, Londra, 1985.
“IBM’nin test tüpü kuantum bilgisayarı tarih yazıyor”, erişim 2004.04.10, http://www.research.ibm.com/resources/news/20011219_quantum.shtml.
“Girişler ve Dersler,” erişim 2004.04.05, adres http://www.qubit.org/.
Julian Brown, “The Quantum Revolution of Computing”, New Scientist 24, Eylül 1994.
Peter Shore, “Bir kuantum bilgisayarda asal çarpanlar ve ayrık logaritmalar için polinom algoritmaları”, SIAM Computing Journal 26, 1997.
“Quantum Computer”, Erişim tarihi: 2003.10.23, http://www.wikipedia.org/wiki/Quantum_computer.
Richard Feynman, “Bilgisayarlarla Fizik Simülasyonu”, Inter. J. Teori. fizik 21, s. 467-488, 1982.
Diğer gönderilerimize göz at
[wpcin-random-posts]