Kuantum Hesaplamaya Giriş — Introduction to Quantum Computing

Günümüz bilgisayarlarının ataları, bundan 70–80 yıl öteye dayanmaktadır. Bilinen ilk bilgisayar 1946 yılında ENIAC adlı Amerikan Ordusu için yapılan top atışlarının hesaplanmasında kullanılan bir bilgisayardı (Elbette Babiller’in M.Ö 2400’lü yıllarda icat ettiği abaküsü saymazsak).
ENIAC, 167m² bir alanı kaplayan, 30 ton ağırlığında bir bilgisayardı. Şu anda evimizde kullandığımız kişisel bilgisayarlar yaklaşık 15 inç alan kaplarken, yalnızca 1–2 kg ağırlığa sahipler. Elbette ENIAC ile kullandığımız bilgisayarların gücünü kıyaslayamayız bile. Şu anda kullandığımız kulaklıklarda bile muhtemelen ENIAC’tan daha güçlü donanımlar bulunmakta.

Şu anda bilgisayarlar birçok kişinin cebine dahi girmiş durumda, kullandığımız cep telefonları ile neredeyse her işimizi kolaylıkla halledebiliyoruz. Ancak elbette insanoğlu sürekli en iyisini istediği için, en iyisine ihtiyaç duyduğu problemler yarattığı için daha iyisine ihtiyacımız var.
Günümüzde elbette daha iyi, daha güçlü bilgisayarlar mümkün. Bunlara süper bilgisayarlar örnek verilebilir. Ancak süper bilgisayarlar da evrenin fizik kuralları gereği yeterince hıza ulaşamıyorlar. Bu durumda imdadımıza Kuantum Bilgisayarlar yetişiyor. Tabii ki kuantum bilgisayarlar şu anda kullandığımız bilgisayarların 70 yıl öncesinde olduğu gibi emekleme çağında.
Ancak bunun çok uzun sürmeyeceğine sanırım hepimiz hemfikiriz. 
Peki nedir bu kuantum bilgisayarlar? Öncelikle kuantum kelimesine inelim.

Kuantum Nedir?

Kuantum, modern bilim anlayışına göre bir enerji veya maddenin mümkün olan en küçük birimi olarak tanımlanır. 
Newton’un bulduğu klasik fizik hakimiyetini sürdürürken anlaşılmayan hiçbir şey yoktu. Temeli zaten F=ma, her şeyi açıklayabiliyorlardı. Her şeyi dışarıdan gözlem yaparak anlaşılabilir hale getirebiliyorlardı. Ancak gözlem yaptığınız alanı küçülttükçe işler biraz farklılaşıyordu. Atom altı parçacıklara inildiğinde her nasıl oluyorsa klasik fizik işlemiyordu. Bambaşka kurallar vardı. Fiziğin işlemediği bir yer keşfedilmişti. (Fotoelektrik olay, kara cisim ışıması, tayf çizgileri vb.)
1900’lü yıllarda Max Planck, kara cisim ışımasını kuantumlanmış enerji yayımı ile açıklayıp kuantum kavramını ortaya çıkardı. Lise fizik, kimya dersleri alan çoğu kişi bilir ki, kuantum mekaniği; moleküllerin, atomların ve bunları meydana getiren elektron, proton, nötron, kuark, gluon gibi parçacıkların özelliklerini açıklamaya çalışır.
Tamam kuantum mekaniğini anladık, evren değişik olaylarla yönetiliyor olabilir. Ee kuantum bilgisayarlar nasıl oluyor?

Kuantum Bilgisayarlar

Kuantum bilgisayarlarda, şu anda kullandığımız “klasik” bilgisayarlardan farklı olarak bit yerine qubit kullanılmakta.

Alanla ilgisi olmayanlar için: Klasik bilgisayarlarda verilerin işlenmesi için bitler kullanılır. Bitler 0 veya 1 olabilir. Örneğin klavyede A tuşuna bastığınızda bilgisayar onu A olarak anlamaz. A’nın bir değeri vardır ve bu değer 65’tir. Ancak bilgisayara 65 derseniz yine anlamayacaktır. Bilgisayar elektronik bir makine olduğundan ancak elektrikle iletişime geçebilirsiniz. Mesela bilgisayara 5V verdiğinizde bunun 1, 0V verdiğinizde bunun 0 olduğunu söylemişler. A harfi 65’e denk geldiğine göre 65’i elektrikle yazmak için yalnızca 1 ve 0 kullanabildiğimize göre yeni bir sayı sistemi gerekli. Bu sayı sistemi ise binary sayı sistemi. Binary sayı sisteminde şu anda kullandığımız decimal sayıları 1 ve 0’lar ile yazabiliyoruz. Yani klavyeden A’ya bastığımızda 65 oluşması için 1000001 sinyalini gönderiyoruz. Şu anda gördüğünüz her şey 0 ve 1’lerden oluşmakta.

Schrödinger’in kedisini duymuş olmalısınız. Kedi bir zamanda hem ölü, hem canlı olabiliyordu. Aynısı qubitler için geçerli. Qubitlerde de klasik bilgisayardaki bitler gibi 1 ve 0 değerlerini alırlar. Ancak onları farklı yapan aynı anda 1 ve 0 değerini alabilmeleri. Qubitler aynı anda 1 ve 0 değerini aldıklarında bir kuantum süperpozisyonu oluştururlar. Bu kuantum bilgisayarları için çok önemli temel bir özelliktir.
Ancak kuantum bilgisayarlar, çalışmak için çok düşük sıcaklıklara ihtiyaç duyarlar. Kuantum bilgisayarlarının içindeki parçacıkların stabil bir şekilde istenildiği gibi çalışabilmesi için yaklaşık 3–4 kelvin arasında bir sıcaklık gerekmekte. 3–4 kelvin, -270 ila -271 derece celcius anlamına gelmekte. Yani epey bir soğuk.

Qubitler

Klasik bilgisayarlarda kullandığımız bitlerin 0 veya 1 olabileceğini biliyoruz. Qubitler ise 0, 1 veya (0 ve 1) değerlerini alabilmekte. Aslında qubitler sayısal bir değere sahip değiller. Sayısal değerden ziyade bir vektör olarak gösterilebilirler.
Klasik bilgisayarlarda gösterdiğimiz 0 bitini, kuantum bilgisayarlarda qubit olarak göstermek istersek |0> olarak gösterebiliriz. 1 biti ise tahmin ettiğiniz gibi |1> olarak gösterilmekte.

Kuantum Hesaplamaların Uygulamaları

Kuantum bilgisayarlar, büyük hesap gerektiren, bilgisayarlarda bile çözmesi uzun yıllar alan problemleri belki de saniyeler içinde çözebilen makinelerdir.
Şu anda genellikle hidrojen gibi atomların, kafein gibi moleküllerin simüle edilmesi için kullanılır. Bu simüle işlemi atom ve moleküllerin yapısını anlamaya, daha fazla kullanım alanı oluşturmaya yarar. Kimya, sağlık gibi sektörlerde çok yararlı olabilir. Ancak kullanma alanları bunlarla sınırlı değil.
Verilerdeki modelleri daha hızlı oluşturma konusunda yapay zeka ve makine öğrenmesini geliştirebilir, finansta piyasa değerlendirmesi konusunda yardımcı olabilir, robotikteki karmaşık problemleri çözebilir.
Ancak tabii bazı kötü yanları da mevcut. Şu anda klasik bilgisayarlarda kullanılan şifrelemeler, klasik bilgisayarlarla kırılması belki de yüzlerce, milyonlarca yıl sürerken kuantum bilgisayarlarla dakikalar, belki de saniyeler sürecek. O nedenle kuantum kriptografi de oldukça mühim bir konu olmaya başlıyor.
Kuantum bilgisayarlarla birlikte kuantum hesaplamalar daha yeni başlıyor, gelecek kuantumla gelecek.