Kuantum Bilgisayarlarını Kuantum Fiziği İle Anlamak

Kuantum Bilgisayarların Gelişimi
Kuantum Bilgisayarların Gelişimi

Burada, bu buzdolabının içinde, mutlak sıfırın sadece bir tık üzerinde bir sıcaklıkta, izole edilmiş durumda evrenin geri kalanından bir kuantum bilgisayardır. Bu yeni gelişen teknoloji geleceğin vaadini temsil ediyor ve turbo şarjlı hesaplamasıyla hayatımızda devrim yapma potansiyeline sahip. Ancak kuantum bilgisayarlar yeni nesil süper bilgisayarlar değil, tamamen başka bir şey. Potansiyel uygulamaları hakkında konuşmaya başlamadan önce, kuantum hesaplama teorisini yönlendiren temel fiziği anlamamız gerekiyor. Sezgisel olarak anladığımız her şeyden daha küçük ve daha yabancı olan başka bir boyuta dalmamız gerekecek. Kuantum mekaniğinin atom altı dünyasına.

Feynman’ın Kuantum Dünyasına Bakışı

Feynman’ın Fikri 1980’lerde 20. yüzyılın en önemli fizikçilerinden biri büyük bir barikatla karşılaştı. Richard Feynman, kuantum evrenine açılan bir pencereye açtı. Ancak kuantum sistemleri doğası gereği kırılgandır ve içerdikleri bilgiler bizden gizlenir. Feynman kuantum olaylarını doğrudan gözlemleyemediği için bir simülasyon tasarlamak istedi. Bilgisayarının bu göreve uygun olmadığı çabucak anlaşıldı.
Modellediği kuantum sistemlerine parçacıklar ekledikçe, hesaplama maliyeti katlanarak artmaya başladı. Feynman, klasik bilgisayarların kuantum hesaplamalarının artan karmaşıklığına ayak uyduracak kadar hızlı ölçeklenemeyeceği sonucuna vardı. Sonra bir atılım yaptı.
Ya kendisinin kuantum elementlerinden oluşan bir araç tasarlayabilseydi?
Bu alet kuantum fiziğinin yasalarına göre çalışacak ve onu kuantum dünyasının gizemlerini araştırmak için mükemmel bir yol haline getirecekti. Kuantum bilgisayar fikri doğdu. Feynman bunu hayal ederek kuantum fiziği ile bilgisayar bilimi arasında bir köprü kurmaya başlamıştı.

Kuantum Hesaplamaları Nasıl Çalışır?

Kuantum hesaplamanın nasıl çalıştığını anlamak için, öncelikle onu kuantum yapan şeyin ne olduğunu anlamakla başlamak çok önemlidir.
Bu, kuantum fiziğinin kalbinde ne olduğu hakkında konuşmamız gerektiği anlamına gelir: genlik adı verilen bir kavram. İşte, 20 kez yazı tura atarsak yazı alma konusunda klasik olasılık kuralları bize şunu söylüyor. Yazıyla sonuçlanan tüm olası sonuçlar için olasılıkları toplarız.
Bu sadece sağduyu. Ancak sağduyu kuantum evreni yönetmez. Bir atom altı parçacığı ölçmeden önce, onu bir tür kara kutuda var olan bir olasılık dalgası olarak düşünebilirsiniz – birçok farklı yerde bulunma şansının çok farklı olduğu bir kuantum sistemi.
Kuantum mekaniği, özünde, olasılık kurallarında bir değişikliktir. Kuantum hesaplamanın gücü de buradan geliyor – alışık olduğumuzdan farklı olan bu olasılık kurallarından. Genlikler olasılıklarla yakından ilişkilidir. Ama bunlar olasılık değil. Önemli bir fark, olasılığın her zaman sıfırdan bire bir sayı olmasıdır. Ancak genlikler karmaşık sayılardır. Ve bunun anlamı, farklı kurallara uymalarıdır.
Dolayısıyla, bir şeyin toplam genliğini bilmek istersem, o şeyin olabileceği tüm farklı yolların genliklerini toplamam gerekir.
Ancak genlikleri topladığımda, yeni bir şey görüyorum, o da bir parçacığın belirli bir yere bir yönde pozitif bir genlikle ve başka bir şekilde negatif bir genlikle ulaşabileceğidir. Ve eğer bu olursa, o zaman bu iki genlik birbirini yok edebilir, böylece toplam genlik sıfır olur ve bu, o şeyin asla olmayacağı anlamına gelir.
Yani genlikler, oraya baktığınızda gerçekten bir şey görmeniz olasılığına bağlıdır. Bu, kuantum mekaniğinin dünya hakkında söylediği merkezi bir şeydir: Fiziksel bir sistemi tanımlama şekliniz, bir genlik listesidir. Ve fiziksel bir sistemin zaman içinde değişme şekli, bu genliklerin lineer bir dönüşümüyle ve bu genliklerde bir miktar değişiklikle gerçekleşir.

Kuantum Bilgisayarlar Bilgiyi Kuantumlu Depolamak ve İşlemek İçin Genlikleri Nasıl Kullanabilir?

Bu bir kübit. Kuantum hesaplamadaki temel hesaplama birimidir. Kübit’ler klasik bir bilgisayardaki bitler gibidir, ancak çok önemli bir farkla.
Bir bit ikilidir—bilgiyi yalnızca 0 veya 1 olabilen ikili basamak dizilerinde depolar. Ancak kübitler atom altı parçacıklardan yapılmıştır, bu nedenle atom altı mantığa göre çalışırlar. Kübitler 0, 1 veya 0 ile 1’in lineer kombinasyonu dediğimiz şey olabilir.
Bu akışkan genlik kombinasyonu, kuantum hesaplamanın merkezinde yer alır. Bir kübiti ölçmeden önce, süperpozisyon adı verilen bir durumda bulunur. Bunu bir olasılık dağılımının kuantum versiyonu olarak düşünebilirsiniz, burada her kübit 0 olmak için biraz genliğe ve 1 olmak için biraz genliğe sahiptir. Süperpozisyon, kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarlara kıyasla çok büyük miktarda veriyi depolayabilmesinin ve manipüle edebilmesinin nedenidir.
İki veya daha fazla kübit, bu kapalı üst üste binme durumundayken, dolanıklık fenomeni aracılığıyla birbirleriyle ilişki kurarlar.
Bu, onları ölçtüğümüzde nihai sonuçlarının matematiksel olarak ilişkili olduğu anlamına gelir.
Kuantum dolaşıklığı, sıradan deneyimde klasik dünyada normalde karşılaştığımız korelasyonlardan farklı olan kuantum sisteminin parçaları arasındaki karakteristik korelasyonlar için kullandığımız kelimedir.
Bunu bir kitap gibi düşünebilirsiniz. Sayfalara birer birer baktığınızda, herhangi bir bilgi göremezsiniz – bilgi tek tek sayfalarda değil, aralarındaki korelasyonlarda kodlandığı için rastgele anlamsız sözler görürsünüz. Ve kitabı okumak için aynı anda birçok sayfayı topluca gözlemlemelisiniz.

Ancak, çok karışık durumları sıradan bitler kullanarak tanımlamak istiyorsanız, bu son derece pahalıdır. İlkel 10 kübitlik bir bilgisayarınız olduğunu hayal edin. Paralel olarak 2^10 değeri saklayabilir. Bu karışık konfigürasyonu klasik bir bilgisayarla tanımlamak için 16 kilobayta veya 16 bin bit’e ihtiyacınız var. 500 dolanık kübitli bir sisteme genişletin ve artık bilinen evrendeki atomlardan daha fazla klasik bit’e ihtiyacınız var. Klasik bilgisayarların kuantum mekaniğini simüle etmek için ölçeklenebilir olmadığını söylerken Feynman’ın kastettiği tam olarak buydu. Bir kuantum bilgisayarın herhangi bir şekilde kullanılabilmesi için, bir çıktı elde etmek için kübitlerden gelen bilgileri ölçmeniz gerekir. Sorun şu ki, bir kuantum sistemi ölçüldüğünde klasik bir duruma çöküyor. Bir kübite bakarsanız, diyelim ki sıfır mı yoksa bir mi diye soralım, o zaman durumunu çökertiyorsunuz, değil mi? Sıfır mı yoksa bir mi olacağına karar vermeye zorlarsınız.

Herhangi bir şey, o kübitin sıfır mı yoksa bir mi olduğu hakkında bilgi taşır; örneğin, eğer bu bilgi kuantum bilgisayardan kaçan bir radyasyona kaydedilirse, o zaman kübit üzerindeki etki, sanki biri onu 0 mı yoksa 1 mi olduğunu görmek için ölçmüş gibi olacaktır.
Sisteme baktığınızda, genlikler olasılık haline gelir. Kuantum sisteminden, bir madeni paranın atılması gibi yalnızca rastgele bir olasılık sonucu olmayan bir yanıt çıkarmak için girişim kullanmamız gerekir.

Girişim klasik fizikte görülebilir . Bir havuzdaki dalgalar birbirine çarptığında ve bir dalga yüzeyin üstünde ve diğer dalga yüzeyin altında olduğunda ve birbirlerini iptal ettiklerinde. Girişim, onları eklediğinizde genliklerin yaptığı şeydir. Eğer bir şey bir yönden yarım genlik ile ve başka bir şekilde eksi yarım genlik ile gerçekleşebiliyorsa, o zaman gerçekleşmesi için toplam genlik sıfır olacaktır.
Ünlü çift yarık deneyinde yaptığınız şey budur. Yollardan birini kapatıyorsunuz ve sonra daha önce hiç olmayan şeyin şimdi olabileceğini görüyorsunuz. Bu bir kuantum algoritmasıdır.

Bilim adamları, deterministik bir kübit kapıları dizisi oluşturarak parazitten yararlanabilirler. Bu kübit kapıları, genliklerin yapıcı bir şekilde toplanmasına neden olur. Bu, doğru cevaplardan birini görme olasılığını artırmak için matematiksel olarak garantili oldukları anlamına gelir.
Bu bir kuantum algoritmasıdır. Bilim adamları, deterministik bir kübit kapıları dizisi oluşturarak parazitten yararlanabilirler.
Bu kübit kapıları, genliklerin yapıcı bir şekilde toplanmasına neden olur. Bu, doğru cevaplardan birini görme olasılığını artırmak için matematiksel olarak garantili oldukları anlamına gelir.

Kuantum Algoritması

Bilim adamları, deterministik bir kübit kapıları dizisi oluşturarak parazitten yararlanabilirler. Bu kübit kapıları, genliklerin yapıcı bir şekilde toplanmasına neden olur. Bu, doğru cevaplardan birini görme olasılığını artırmak için matematiksel olarak garantili oldukları anlamına gelir.
Hangi cevabın doğru olduğunu önceden bilmiyorken, tüm bunları doğru cevaba nasıl konsantre edebilirsiniz, diye sorabilirsiniz.
Kuantum algoritmaları tasarlamanın bu kadar zor olmasının ve on yıllardır onu inceleyen koca bir alana sahip olmamızın nedeni tam da bu.
1994 yılından bu yana, siber güvenlik ve arama optimizasyonu gibi alanlarda teorik uygulamalarla kuantum algoritmalarında birkaç büyük atılım olmuştur. Ancak bu alandaki uzmanların çoğuna göre, kuantum bilgisayarları büyük olasılıkla yapmak için doğdukları şey için faydalı olacak – meraklı bir fizikçi dünyamızın derin yapısını merak ettiğinde. Fiziği keşfetmenin bir yolu olarak kuantum hesaplamayı heyecan verici buluyorum. Şimdi, bunun herhangi birine para kazandırıp kazandırmayacağı – kısa vadede pratik uygulamalar olup olmayacağı – bu hala çok açık bir soru.
Ama en azından fizikçiler için heyecan verici bir zaman. Gerçek şu ki kuantum bilgisayarların en önemli uygulamasının henüz bilmediğimiz bir şey olduğuna inanıyorum.
Eminim bir kez oynayacak bir kuantum bilgisayarımız olduğunda, henüz öngöremediğimiz harika uygulamalar bulacağız.

Kaynak: quantamagazine.org

İlk yorum yapan olun

Bir yanıt bırakın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.


*