Kuantum Bilgisayarları Nedir ve Nasıl Çalışır? (Kurzgesagt) | Video
Bilgisayar teknolojisinin hızla ilerlemesi, aynı zamanda klasik bilgisayarların fiziksel sınırlara yaklaşmasına ve daha fazla ilerleyemeyeceği bir noktaya yaklaşmasına da neden oluyor. Bu nokta, artık klasik fiziğin kurallarından ziyade kuantum etkilerinin baskın hale gelmeye başladığı atom altı seviyesi. Bu noktadan sonra artık kuantum etkileri ihmal edilemez hale geliyor, ve dolayısı ile daha küçük parçaları olan bilgisayarlar üretebilmek için, bilgisayarların çalışma ilkelerinin değiştirilmesi gerekiyor.
Klasik olmayan bilgisayar adayları içinde en çok umut vadeden türlerden biri de kuantum bilgisayarları. Kuantum bilgisayarlarının, çok daha düşük enerji ve elemanla, üstel olarak fazla sayıda işlemi, çok daha kısa sürede gerçekleştirebileceği düşünülüyor. Ancak kuantum bilgisayarları şimdilik yalnızca belirli türde işlemler gerçekleştirebiliyor ve genel amaçlı bir kuantum bilgisayarının mümkün olup olmadığı kesin olarak bilinmiyor.
Kuzgesagt ekibi bu videolarında kuantum bilgisayarları ile klasik bilgisayarlar arasındaki farkları, kuantum bilgisayarlarının çalışma ilkelerini ve olası üstün taraflarını inceliyor.
İyi seyirler…
-oo-
Tarihimizin çoğunda, insan teknolojisi beyinlerimizden, ateşten ve mızraklardan meydana geldi. Ateş ve mızraklar, enerji santralleri ve nükleer silahlara dönüşürken, en büyük gelişme beynimize oldu. 1960’lardan beri, beyin makinelerimizin güçleri üslü şekilde büyümeye devam ederek bilgisayarların aynı anda hem daha küçük hem de daha hızlı olmalarını sağladı. Ama bu işlem fiziksel sınırlarına ulaşmak üzere.
Bilgisayar parçaları bir atomun boyutuna yaklaşıyor. Bunun neden bir sorun olduğunu anlamak için, bazı temel kavramlara bakmalıyız.
Bir bilgisayar çok basit şeyleri yapan çok basit parçalardan oluşmuştur. Bu parçalar bilgiyi sunar, işler ve mekanizmaları kontrol eder. Bilgisayar çipleri modüller içerir, bu modüller mantık kapılarını ve mantık kapıları da transistörleri içerir.
Bir transistör bilgisayarlardaki bilgi işlemcisinin en basit formudur. Temel olarak, gelen bilginin yolunu açıp kapatabilen bir anahtar işlevi görür. Bu bilgi “sıfır” veya “bir” olarak ayarlanabilen “bit”lerden oluşur. Bitlerin kombinasyonları da daha karmaşık bilgileri temsil etmede kullanılır. Transistörler, basit şeyler yapan mantık kapıları oluşturmak için bir araya gelirler. Örneğin, bir “VE” kapısının tüm girişleri bir ise çıktısı bir olur, ve tam tersi durumunda sıfır olur.
Mantık geçitlerinin birleşimleri nihayet anlamlı modüller meydana getirir, örneğin, iki sayıyı toplamak için. Toplamaya yapabildiğinizde çarpma da yapabilirsiniz, ve çarpma yapabildiğinizde de esasen her şeyi yapabilirsiniz.
Tüm temel işlemler tam anlamıyla birinci sınıf matematiğinden daha basit olduğu için, bir bilgisayarı çok basit matematik soruları cevaplayan bir grup yedi yaşındaki çocuk olarak hayal edebilirsiniz. Yeterince büyük bir grubu astrofizikten Zelda’ya her şeyi hesaplayabilir.
Ancak, parçalar sürekli küçüldükçe kuantum fiziği olayı zorlaştırır. Özetle, bir transistör sadece bir elektrik düğmesidir. Elektrik elektronların bir yerden başka bir yere hareket etmesidir; böylece düğme elektronların tek yönde hareket etmesini engelleyebilen bir geçittir.
Bugün, transistörlerin tipik boyutu 14 nanometredir; bu da HIV Virüsünün çapından sekiz kat, ve de bir beyaz kan hücresinden 500 kat daha küçüktür. Transistörler birkaç atom boyutuna küçüldükçe elektronlar kendilerini engellenmiş bir yolun diğer tarafına kuantum tünelleme denilen bir yöntemle transfer edebilir. Kuantum dünyasında, fizik alıştığımız tahmin edilebilir şekillerden farklı işler ve geleneksel bilgisayarlar artık anlam taşımaz.
Teknolojik ilerlememizin önündeki gerçek bir fiziksel duvara yaklaşıyoruz. Bu sorunu çözmek için, bilim insanları kuantum bilgisayarları inşa ederek bu olağan dışı kuantum özelliklerini kendi lehlerine çevirmeye çalışıyorlar.
Normal bilgisayarlarda bitler bilginin en küçük birimidir. Kuantum bilgisayarları iki değerden birine ayarlanabilen kubitler kullanır. Bir kubit herhangi bir iki düzeyli kuantum sistemi olabilir, manyetik alandaki bir dönüş veya bir foton gibi. Fotonun yatay veya düşey polarizasyonu gibi sıfır ve bir bu sistemin muhtemel durumlarıdır.
Kuantum dünyasında, kubit bunlardan sadece biri olmak zorunda değildir; aynı anda iki durumdun herhangi bir miktardaki karışımı olabilir. Buna süperpozisyon denmektedir. Ancak siz ölçümlediğiniz ancak, mesela fotonu bir filtreden geçirerek test ettikten sonra fotonun yatay veya düşey polarizasyondan birini seçmesi gerekir. İzlenmediği sürece kubit sıfır ve bir ihtimallerininden oluşan bir süperpozisyonun içindedir, ve hangisi olacağını tahmin edemezsiniz. Ama ölçüm yaptığınız anda iki belirli durumdan birine geçer.
Süperpozisyon burada bir oyun değiştiricidir. Dört klasik bit tek seferde iki üzeri dört farklı durumun birinde bulunabilir. Bu 16 muhtemel kombinasyon eder, bunlardan tek seferde birini kullanabilirsiniz. Ancak süperpozisyon halindeki dört kubit, aynı anda bu 16 kombinasyonun hepsinde bulunabilir! Bu sayı eklenen her kubit için üstel olarak artar. Yirmi tanesi aynı anda bir milyon değer saklayabilir.
Kubitlerin sağduyuya aykırı olan bir başka özelliği de dolanık olmalarıdır. Bu, kubitlerin ne kadar uzakta olursa olsun herhangi birinin aynı anda diğerinin durumuna da tepki göstermesini sağlayan yakın bir bağlantıdır. Bunun anlamı tek bir dolanık kubiti ölçümlediğinizde, eşine bakmadan bu kubitin özelliklerini doğrudan anlayabilirsiniz.
Kubit manipülasyonu da kafa karıştırıcı bir şeydir. Normal bir mantık kapısı girişlerin basit bir kümesini alır ve tek bir belirli sonuç çıkarır. Bir kuantum kapısı süperpozisyonların girişini yönlendirir, ihtimalleri dolanır ve sonuç olarak başka bir süperpozisyon çıkarır. Yani bir kuantum bilgisayarı birkaç kubiti alır, ihtimalleri yönlendirmek ve onları dolanık hale getirmek için geçitleri uygular ve sonra süperpozisyonları sıfır ve birlere çevirerek nihayet sonucu çıkarır.
Bunun anlamı var olan sisteminizle hepsi aynı anda yapılan bir sürü hesap alırsınız. Sonunda çıkan tüm sonuçların sadece birini ölçebilirsiniz ve bu sadece muhtemelen istediğiniz sonuçtur, yani sağlamasını alıp tekrar denemeniz gerekebilir. Ama süperpozisyon ve dolanıklığın ince noktalarını zekice açığa vurarak bu olay normal bir bilgisayarda yapılabileceğinden katbekat daha etkili yapabilir.
Kuantum bilgisayarları muhtemelen evimizdeki bilgisayarların yerini alamayacak fakat bazı alanlarda oldukça üstünlük sağlamaktadır. Bunlardan biri veritabanı aramasıdır. Bir veritabanında bir şeyi bulabilmek için, normal bir bilgisayar verilerin her birini teker teker test etmek zorunda kalabilir. Kuantum algoritmaları ise bu gereken sürenin sadece kareköküne ihtiyaç duyarlar ve büyük veribankaları için bu çok büyük bir fark demektir.
Kuantum bilgisayarlarının en meşhur kullanım alanı BT güvenliğini mahvetmektir. Şu anda, tarama, e-posta ve bankacılık bilgileriniz herkese verdiğiniz açık bir anahtarla sadece sizin çözebileceğiniz mesajları oluşturan bir şifreleme yöntemi sayesinde korunmaktadır. Sorun bu açık anahtar aslında sizin özel anahtarınızı hesaplamak için kullanılmasıdır. Neyse ki bunu normal bir bilgisayarda yapmak tam anlamıyla deneme ve yanılmayla geçen yıllar boyu sürecektir. Ancak üstel olarak hızlı çalışan bir kuantum bilgisayarında bunu kolaylıkla yapabilirsiniz.
Diğer bir heyecan verici yeni kullanım alanı ise simülasyonlardır. Kuantum dünyalarının simülasyonları çok fazla sistem gücüne gereksinim duyar, ve moleküller gibi çok daha büyük yapılarda sıkça kesinlikten uzaktırlar. O zaman neden kuantum fiziğini gerçek kuantum fiziğiyle simüle etmeyelim? Kuantum simülasyonları proteinlerle ilgili ilaçlarda devrim yapmamızı sağlayacak bilgiler kazanmamızı sağlayabilir.
Şu anda kuantum bilgisayarlarının sadece özel alanlarda çalışan bir araç mı yoksa insanlık için büyük bir devrim mi olacağını bilemiyoruz. Sınırların nerede olduğuyla ilgili hiçbir fikrimiz yok, ve bulmanın sadece tek yolu var!
-oOo-