Bilgisayar üreticilerince üretilen işlem gücü muazzam bilgisayarlara rağmen henüz, hız ve işlem kapasitesi bakımından günümüzün bilgisayarları, susuzluğumuzu gidermeye yetmemektedir. Ürettiğimiz bilim ve teknolojiler karmaşıklaştıkça, günümüzde var olan "geleneksel" bilgisayarların ve işlemcilerin (hatta "süperbilgisayarların" bile) işlem gücü, bu kadar devasa verileri işlemeye yeterli olamamaktadır. Örneğin Evren'in kapsamlı simülasyonları ya da evrimsel süreçte belli bir popülasyonun son 250.000 yıldaki değişiminin analizi gibi işlemleri tamamlayabilmek için evlerinizde kullandığınız bilgisayarların yüzlerce ve hatta binlerce yıl boyunca aralıksız çalışması gerekirdi! Süperbilgisayarlarla bile bu tür analizler kimi zaman birkaç ay kadar sürebilmektedir. Dolayısıyla incelemek istediğimiz veri miktarı arttıkça, devasa süperbilgisayarlarımız bile hesap makinesi gibi kalmaktadır. Peki, bir gün ihtiyacımız ve istediğimiz güçte işlem gücüne sahip bilgisayarlara sahip olabilecek miyiz? Günümüz teknolojisine hız ve güç katan, her geçtiğimiz sene birazcık daha küçülen transistörler ve mikroişlemcilerdir. Küçülmek neden daha fazla hız ve güç demek diye sorabilirsiniz. Sebebi çok basit: Eskiden belli bir alana 100 işlemci sığdırabilirken, artık birebir aynı alana 100.000 işlemci sığdırabiliyoruz. Transistör kapı açıklıklarını daha da küçük boyutlarda ürettikçe, söz konusu işlemcilerin aynı alana sığabilecek olan sayısı daha da fazla olacaktır. Ancak bir problem var... Moore Yasası'nın öngördüğü gibi, eğer bir mikroişlemci üzerindeki transistor sayısı her 18 ayda 2 katına çıkmaya devam ederse 2020-2030 yıllarında da atomik ölçekle ölçülen mikroişlemci devreleri görebilirsiniz. Ne var ki Moore Yasası'nın öngörüsü, bundan önceki birkaç on yıldır doğru işlese de, artık işlemcilerimize yerleştirdiğimiz transistörlerin boyutu çok fazla küçüldüğü ve boyut bariyerleriyle karşılaşmaya başladığımız için pek de geçerli değildir. Dolayısıyla, artık sadece elektrik akımını kullanan araçlar yeterli olamaz; bunun yerine, bilgisayarın bellek ve işleme görevlerini gerçekleştiren atom altı parçacıkların özelliklerinden faydalanmak gerekmektedir. Şöyle düşünün: 1970 yılında transistör kapı açıklığı 10 mikron civarındaydı (1 mikron, 1 metrenin milyonda biridir). 1980'de bu büyüklük 5 mikrona düştü. 1990 yılında 1 mikrona... 2000 yılında 0.1 mikrona, yani 100 nanometreye (1 nanometre, 1 metrenin 1 milyarda biridir). 2009 başında 50 nanometreye, sonunda 32 nanometreye... 2012'de 19 nanometre, 2014'te 10 nanometreye ve nihayetinde, 3 milyar dolarlık yatırım, 10 çığır açıcı araştırma sonucunda, 9 Temmuz 2015'te 7 nanometreye... Tahmin edebileceğiniz gibi, her bir basamakta daha fazla araştırma, daha fazla para, daha fazla emek gerekiyor. Ancak "ite kaka" ilerleyebiliyoruz. Peki bunun sonu nedir? Nanometreden hemen sonra Angstrom adı verilen ölçü gelmektedir ki, atomların büyüklükleri bu birimle ölçülmektedir. Bu transistörler, en nihayetinde fiziksel yapılardır. Dolayısıyla atomlardan oluşurlar. Eğer ki atom boyutundan daha küçük açıklıklara sahip parçalar üretmek istersek, bu imkansızlaşır. Çünkü atom altı seviyeye inmek gerekir. Artık atomlardan söz edemeyiz. Bu durumda, atom altı parçacıkların dünyasına adım atarız. Yani kuantum dünyasına! Transistörlerin icadı, bilgisayarları mümkün kılarak çağ atlattı. Kuantum bilişimin mümkün kılacağı teknoloji devrimi ise, kuantum bilgisayarları üreterek önümüzdeki birkaç on yılın çağ açıcı yeniliklerinin kapısını aralayacak. Peki kuantum bilişim nedir? Kuantum bilgisayarlar nasıl çalışır? Kuantum düzeyde mühendislik nasıl yapılır? Seed Magazine Kuantum Bilgisayarların Çalışma Prensibi Nedir? Bildiğimiz anlamda bilgisayarlar bilgiyi ikili sayı sistemi (1 ya da 0) üzerinden “bit” olarak düzenler. Buna göre, bir şeyin dijital dünyada temsil edilişi “olmak” ya da “olmamak” esasına dayanır. Kuantum bilgisayarlar ise bilgiyi tek bir atomun karşılık geldiği “kübit” (kuantum bit) üzerinden işler. Bunu yaparken de kuantum fiziğinde tuhaf bir olgu olan “süperpozisyon” ilkesini kullanır. Süperpozisyon, bir atomun “aynı anda” iki ya da ikiden fazla durumda bulunabilmesi demektir. Normal bitler 1 ya da 0 değerlerini kullanırken, süperpozisyon sayesinde kübitler aynı anda hem 1 hem 0 hem de bu ikisi arasındaki değerleri alabilir. Sağduyumuza ters düşen bu ilke temelinde çalışan kuantum bilgisayarların nasıl muhteşem bir işlem gücü sergileyebileceğini gelin bir örnekle açıklayalım. Diyelim ki Ege Bölgesi’ndeki şehirleri sizin için en hesaplı olacak şekilde gezmek istiyorsunuz. Bunun için, normalde, en ekonomik farklı rotaları, en hesaplı bilet ve otel tarifelerini uzunca bir süre araştırmanız gerekirken, bir kuantum bilgisayar tüm bu olasılıkları aynı anda değerlendirerek en kısa sürede size en ucuz rotayı çıkartacaktır. Maalesef ki süperpozisyon birtakım teknik sorunları (hataları) da beraberinde getiriyor. Kuantum sistemlerinde bu hataları çözmek ise başlı başına bir problem çünkü atom altı dünyanın herhangi bir madde veya radyasyon ile etkileşime açık olan hassas yapısı, bir elektrona bağlı olarak var olan bilginin de herhangi bir müdahalede bozulmasına yol açıyor. Ancak geçtiğimiz yıllarda IBM araştırmacıları, iki tür hatayı aynı anda çözmeyi kübitlerin hassas yapısını bozmadan sağlayarak gündelik hayatta kullanılabilecek kuantum bilgisayarlar geliştirme önündeki engellerden birini aşmış oldular. Eğer daha fazla engel aşılabilirse, kuantum bilgisayarlardan pek çok alanda pratik olarak faydalanabileceğiz. Yani, en azından teoride, kuantum bilgisayarlar herhangi bir silikon tabanlı bilgisayardan (bugün kullandıklarımızdan) çok daha hızlı ve zor işlemleri gerçekleştirme potansiyeline sahiptir. Günümüzde bilim insanları zaten belli başlı işlemleri yapabilen temel kuantum bilgisayarları inşa etmişlerdir ama daha pratik kuantum bilgisayarlar için uzun yıllara ihtiyaç vardır. Kuantum Bilgisayarların Tarihi... Kuantum bilgisayarların kökenini bulmak için çok geriye gitmek gerekmiyor. Bilgisayarlar her ne kadar 20. yüzyılda icat edildiyse de, ilk kuantum bilgisayarlar sadece 30 yıl önce, Argonne Ulusal Laboratuvarında bir fizikçi olan Paul Benioff tarafından kuantum teorisi uygulanarak teorize edilmiştir. Bu yazıyı okumak için kullandığınız çoğu bilgisayar, "Turing Teorisi"ne dayanmaktadır. Bu teoriyi kısaca tanıyacak olursak: Turing Teorisi dahilinde hayal edilen soyut bir düşünce olan "Turin makinası", Alan Turing tarafından 1930'da geliştirilmiş, küçük karelere bölünmüş sınırsız uzunlukta banttan oluşan bir teorik cihazdır. Her kare bir rakam veya sembol tutar (1 veya 0). Bir okuma-yazma cihazı belli bir programı gerçekleştirmek için makineye talimatları veren bu rakam ve sembolleri okur. Bu makine, gerçek bir bilgisayar değildir; sadece, bilim insanlarının bir makinenin işlem gücünü anlayabilmeleri için geliştirilmiş hayali bir cihazdır. Dolayısıyla, kuantum bilgisayarlar ile silikon bilgisayarlar arasındaki farkı anlamak için de, bu "Turing Makinası" ile "Kuantum Turing Makinası" arasındaki farka bakılabilir. Normal bir Turing makinasıyla sadece bir seferde bir hesaplama yapmak mümkünken, bir kuantum Turing makinası ile aynı anda birçok hesaplama yapabilir. Bugünün bilgisayarları ikilik sayı sistemiyle (0 ve 1) çalışırken, kuantum bilgisayarlar 2 bitle sınırlı değildir ve kuantum-bitleri (qubits) denen kodlama sistemiyle çalışırlar. Kuantum bilgisayarların bellek ve işlemcileri, sadece elektron akışını değil, atomları, iyonları, fotonları, elektronları veya ileri boyutta diğer atomaltı parçacıkları kullanır. Kuantum bilgisayarlar aynı anda birçok işlemi gerçekleştirmek için atomaltı parçacıklara ihtiyaç duyar. Daha sonra bu farklı atomaltı parçacıklardan elde edilen verileri bir araya getirerek tekil bir işleme dönüştürürler. Buna, "süperpozisyon" adı verilir. Kubitlerin, bitlerden farklı olarak sahip olduğu bu süperpozisyon özelliği, kuantum bilgisayarlara kendi yapısal/içsel parallel işlem kapasitesini veren unsurdur. Bu paralellik (paralelizm) sayesinde bir kuantum bilgisayar, sıradan bir bilgisayara göre kat kat yüksek işlem gücüne sahip olur. Son olarak, kuantum bilgisayarlar alanındaki bazı gelişmelere bir göz atalım. Bahsettiğimiz gibi, kuantum bilgisayarların gelecekte günümüzdeki bilgisayarların yerini alması umulmaktadır. Ancak şu an için pratik şekilde kullanılabilir bir kuantum bilgisayar geliştirmek için gerekli teknolojiye sahip değiliz. Bu nedenle kuantum bilgisayarlar alanında çalışmalar halen oldukça teorik bir boyutta sürdürülüyor. Buna rağmen, birkaç anahtar gelişme sayesinde son yıllarda bu alanda birçok adım atılabilmiştir. Kuantum Bilgisayarları Nasıl Üretiyoruz? Önce, "iyon kapanı" ya da "iyon tuzağı" nedir sorusunun cevabıyla başlayalım. İyon kapanı (ion trapping) bir atomun vakumda sabit tutularak üzerine deneyler yapmaya yarayan bir tekniktir ve daha isabetli saatlerin ve hatta kuantum bilgisayarların geliştirilmesinde kullanılmaktadır. Bu tekniği şöyle hayal edebilirsiniz. Elinizde bir misket/bilye ve önünüzde de genişçe bir kase olduğunu düşünün. Burada misket, yüklü bir atomu; kase de elektromanyetik bir alanı temsil ediyor olsun. Elinizdeki misketi kasenin kenarından bıraktığınızda ve kaseyi de yuvarlak hareketler yapacak şekilde hafifçe hareket ettirdiğinizde, kasenin içindeki bilyenin (atomun) kasenin dibine doğru ilerlerken tuttuğu süreyi, yani atomun gözlemlenme süresini de böylelikle uzatmış olursunuz. İşin bundan sonraki kısmı ise atomları soğutarak onların hareketini kuantum fiziği elverdiği ölçüde kontrol altına almaktır. Peki atomları soğutarak onların hareketini nasıl yavaşlatabilir ve üzerlerinde deneyler yapabilir hale getiririz?