Kuantum hesaplamayı muhtemelen duymuşsunuzdur, ancak nedir ve gerçek dünyada bir etkisi olacak mı?
Kuantum
fiziği hayatımızı şimdiden önemli ölçüde etkiledi. Lazerin ve
transistörün icatları aslında kuantum teorisinin bir sonucudur - ve bu
bileşenlerin her ikisi de günümüzdeki her elektronik cihazın temel yapı
taşı olduğundan, tanık olduğunuz şey temelde “kuantum mekaniği eylem
halindedir”.
Bunu söyledikten sonra, kuantum endüstrisi, kuantum
dünyasının gerçek gücünü kullanmak için önemli çabalar sarf
edildiğinden, bilgisayar dünyasında devrim yaratmaya hazırlanıyor.
Kuantum bilişim, güvenlik, sağlık, enerji ve hatta eğlence endüstrisi
gibi çeşitli sektörlerde uygulama bulabilir.
Kuantum ve Klasik Bilgisayarlar
Kuantum
teorisinin tarihi bir asırdan fazladır. Bununla birlikte, mevcut
kuantum vızıltıları, kuantum parçacıklarının doğal bir özelliği olan
belirsizliğin kuantum potansiyelini gerçekleştirmek için güçlü bir silah
olarak hizmet edebileceğini öne süren son araştırma bulgularından
kaynaklanmaktadır.
Teorinin
belirttiği gibi, bireysel kuantum parçacıklarının (yani elektronlar
veya fotonlar) her bir özelliğini bilmek görünüşte imkansız. İstediğiniz
hedefe ulaşırken sizin için hareketinizin hızını, konumunu ve yönünü
tam olarak tahmin edebilen klasik bir GPS örneğini düşünün.
Bununla
birlikte, kuantum fiziği yasaları bunu yapmanıza izin vermediğinden,
bir kuantum GPS, bir kuantum parçacığı için yukarıdaki tüm özellikleri
tam olarak belirleyemez. Bu, kuantum dünyasında klasik kesinlik dilinden
ziyade olasılıklı bir dile yol açar.
Bu durumda, olasılık dili,
kesin olarak ifade edilmesi zor görünen hız, konum ve hareket yönü gibi
kuantum parçacıklarının farklı özelliklerine olasılıklar atamayı ima
eder. Kuantum parçacıklarının bu olasılıksal doğası, zamanın herhangi
bir anında her şeyin ve her şeyin olmasına izin veren bir olasılığı
ortaya çıkarır.
Hesaplamanın ışığında, kübitler (kuantum bitleri)
olarak temsil edilen ikili 0'lar ve 1'ler, herhangi bir anda 1 veya 0
olma özelliğine sahiptir.
Klasik makinelerde 0'lar ve 1'ler
farklı anlarda açılıp kapanan anahtarlara ve devrelere bağlı olduğundan
yukarıdaki gösterim ağızda acı bir tat bırakır. Bu nedenle, tam
durumlarını (yani açık veya kapalı) bilmemek, bilgi işlem bağlamında
mantıklı görünmez.
Gerçek anlamda hesaplama hatalarına neden
olabilir. Bununla birlikte, kuantum dünyasında bilgi işleme, kuantum
belirsizliği kavramına dayanır - burada 0 ve 1'in "süperpozisyonu" bir
hata değil, bir özelliktir. Daha hızlı veri işlemeye izin verir ve daha
hızlı iletişimi kolaylaştırır.
Kuantum Hesaplamanın Zirvesinde
Kuantum
teorisinin olasılıksal özelliğinin sonucu, kuantum bilgisinin kesin
olarak kopyalanmasının görünüşte imkansız olmasıdır. Güvenlik açısından,
bu önemlidir, çünkü kuantum anahtarlarını kopyalamak ve mesaj göndermek
için kuantum anahtarlarını kopyalamak isteyen siber suçlular, kuantum
bilgisayarlara erişim sağlasalar bile sonunda başarısız olur.
Bu tür üst düzey şifrelemenin (yani, gizli verileri veya anahtarları yetkisiz erişimi önleyen bir koda dönüştürmek için karmaşık bir yöntem) bugün
kullanılan matematiksel olarak yazılmış algoritmaların değil, fizik
yasalarının bir sonucu olduğunu burada vurgulamak önemlidir.
Matematiksel şifrelemeler, güçlü bilgisayarların yardımıyla kırılabilir,
ancak kuantum şifrelemeyi kırmak, fiziğin temel yasalarını yeniden
yazmayı gerektirir.
Kuantum şifreleme, mevcut şifreleme
tekniklerinden farklı olduğu gibi, kuantum bilgisayarlar da klasik
olanlardan çok temel düzeyde farklıdır. Bir araba ve bir öküz arabası
analojisini düşünün. Burada bir araba, sizi muadili ile
karşılaştırıldığında hızlı bir şekilde istenen hedefe ulaştıran belirli
fizik yasalarına uyar. Aynı felsefe kuantum bilgisayar ve klasik
bilgisayar için de geçerlidir.
Kuantum bilgisayar, hesaplamaları
gerçekleştirmek ve verileri benzersiz bir şekilde işlemek için kuantum
fiziğinin olasılıklı yapısından yararlanır. Bilgisayar görevlerini çok daha hızlı bir şekilde gerçekleştirebilir
ve ayrıca kuantum ışınlama gibi geleneksel olarak imkansız kavramlara
sıçrayabilir. Bu veri iletimi şekli, geleceğin interneti, yani kuantum
interneti için yol açabilir.
Bir Kuantum Bilgisayarı Bugün Ne İçin Kullanılabilir?
Kuantum
bilgisayarlar, mevcut bilgisayarların üstesinden gelmekte zorlandığı
karmaşık sorunları çözmede yardımcı olabileceğinden, Ar-Ge kuruluşları,
devlet yetkilileri ve akademik kurumlar için faydalı olabilir.
Önemli
bir uygulama, ilaç geliştirmede olabilir, burada moleküller kuantum
bilgisayarlarla aynı kuantum fiziği yasalarında işlev gördüğü için
kimyasalları ve molekülleri sorunsuz bir şekilde simüle edebilir ve
analiz edebilir. Ayrıca, en hızlı süper bilgisayarlar bugün hedefe
ulaşamadığı için etkili kuantum kimyası simülasyonu mümkün olabilir.
Ayrıca,
kuantum bilgisayarlar karmaşık optimizasyon problemlerini çözebilir ve
sıralanmamış verilerin hızlı aranmasına yardımcı olabilir. Bu konuda,
dinamik görünen iklim, sağlık veya finansal verileri sıralamaktan
lojistik veya trafik akışını optimize etmeye kadar çok sayıda uygulama
vardır.
Kuantum bilgisayarlar, makine öğrenimi problemleri
gibi verilerdeki kalıpları tanımada da iyidir. Ek olarak, kuantum
bilgisayarlar, hava tahmini gibi geleceği tahmin etmek için modeller
geliştirmede çok önemli bir rol oynayabilir.
Kuantum Geleceğine Hazırlanmak
Kuantum
geleceği için yarış ön plana çıkarken, yatırımcılar ve devlet kurumları
kuantum Ar-Ge'sine milyarlarca dolar harcıyor. Uydu tabanlı kuantum
anahtar dağıtımını kullanan küresel bir iletişim ağı, daha fazla gelişme
için yolu belirleyen halihazırda uygulandı.
Google, Amazon,
Microsoft, IBM ve diğerleri gibi şirketler, donanım ve yazılım gibi
kuantum hesaplama kaynaklarının geliştirilmesine büyük yatırımlar
yapıyorlar.
Cosmos'a göre , Çin'deki bir araştırma ekibi,
klasik bir bilgisayarın tamamlaması için en az 8 yıl veya daha fazla
sürecek olan karmaşık bir hesaplamayı 60 dakikadan biraz fazla bir
sürede tamamlayan bir kuantum bilgisayar yaptı.
Son iki yılda
meydana gelen kuantum hesaplama gelişmelerinin bir özetidir. Bilim
camiasının sonunda, kuantum hesaplamanın, klasik hesaplamanın kelimenin
tam anlamıyla kavramak için pratik olmayan bir zaman alabileceği en
karmaşık sorunu çözebilecek bir konumda olduğu, anlaşılması zor “kuantum avantajını” elde ettiğine inanılıyor.
Kuantum
dönüm noktası ilk olarak Google tarafından, hesaplamaları
gerçekleştirmek için akımı kullanan kübitleri kullandıkları 2019'da elde
edildi . Daha sonra 2020'de Çinli ekip, süreci hızlandırmak için
fotonik kübitler kullandı. Şimdi 2021'de başka bir Çinli ekip
(Şanghay'daki Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nde Jian-Wei Pan
liderliğindeki) Google'ı tekrar geride bıraktı.
In öncesi yazdırma sunucusu arXiv yayınlanan bir araştırma makalesi onlar 66 qubits oluşur Zuchongzhi
olarak adlandırılan bir kuantum işlemcisi üzerinde süperiletken qubits
kullanılan burada, katkıda araştırma ekibi kuantum avantajı bulgularını
ortaya çıkardı. Ekip, Zuchongzhi'nin bilgisayarların gücünü test
etmeyi amaçlayan bir hesaplama problemini ele almak için 56 kübiti
manipüle edebildiğini gösterdi.
Belirsizliği Kucaklamak
Son
beş yılda kuantum teknolojisi dünyasındaki hızlı gelişme oldukça
heyecan verici oldu. The Quantum Daily'ye göre , kuantum endüstrisinin
2030'un sonunda milyarlarca dolarlık bir değerlemeye sahip olması
bekleniyor. Bununla birlikte, bu kadar büyük ölçekli dağıtımdan önce
üstesinden gelinmesi gereken çeşitli pratik zorluklar olsa da, gelecek
parlak görünüyor.
Neyse ki, kuantum teorisi “öngörülemezliğin”
daha parlak tarafına ışık tutuyor. Teoriye göre, iki kübit, her bir
kübitin ayrı ayrı belirlenmemiş kalması, ancak bir birim olarak
bakıldığında diğeriyle senkronize olması olasılığıyla birbiriyle
kilitlenebilir - yani, her ikisi de 0 veya 1'dir.
Bu bireysel
öngörülemezlik ve birleşik kesinlik, günümüzde çoğu kuantum hesaplama
algoritması için kullanışlı bir araç olan "dolaşıklık" olarak
adlandırılır. Bu nedenle, belirsizliği ihtiyatlı bir şekilde ele alan
kuruluşlar, kuantum geleceğini kucaklamak için forma girebilirler.