Kuantum Bilgisayarı Nedir?


Kuantum Bilgisayarı

Kuantum mekaniği; madde ve ışığın, atom ve atomaltı seviyelerdeki davranışlarını inceleyen bir bilim dalı. Nicem mekaniği veya dalga mekaniği adlarıyla da anılır.

Kuantum bilgisayarı, kuantum fiziği ilkelerini kullanacak şekilde dizayn edilmiş, normal bilgisayarların maksimum hesaplama kabiliyetinin, erişebilecekleri seviyenin çok üstlerine çıkarıldığı yapılara denir.

Şimdi basitçe anlamak için basit bir görsel kullanalım




llllll : Normal bilgisayarlar için bunun tek karşılığı 1 (bir) dir. Çünkü normal bilgisayarlar 1 ve 0 dışında bir sonuç veremezler. Ama kuantum bilgisayarları için bu hem 1 hem 0 dır. Yani l ile normal bilgisayara bu nedir diye sorarsanız size sadece 1 (bir) cevabı verirken kuantum bilgisayarları 1 , L , I , 0 ... cevaplarını da verebilir.

Temel bir soru ve klasik bilgisayar ile kuantum bilgisayarını karşılaştıralım.

Sadece rakamlardan oluşan 3 haneli bir şifre olsun *** diyelim . Normal bir bilgisayar bu şifreyi bulmak için tüm olasılıkları tek tek deneyerek doğru sonucu verir. Yani 1000 olasılığı tek tek dener ve sonucu bulur.

Kuantum bilgisayarı bu 1000 olasılığı aynı anda deneyerek size sonucu tek bir işlem sonucunda gösterir. İşte en basit anlatımıyla temel fark budur.

Kısaca normal bilgisayarlar tek ensturumanlı bir ses iken kuantum bilgisayarları bir selfonidir.

Kuantum bilgisayarını anlamak için önce normal bilgisayarlara göz atalım.





Bilgisayarlar Nasıl Çalışır?

Bilgisayarlar ikili sayı formatında veri depolayarak işlev görür. Seriler halinde 1 ve 0 kombinasyonlarını transistörler gibi elektronik bileşenlerinde tutarlar. Bilgisayarın her bir hafıza bileşeni 1 bit olarak tanımlanır. 1 ve 0 modları (veya "On" ve "Off") arasında Boolean mantığıyla ve bilgisayar programlarının algoritması tarafından oynamalar yapılarak bit'ler çeşitlendirilir.

Kuantum Mekaniği Nedir ?

Kuantum bilişim, maddeyi atomaltı seviyede incelemeye başladığımızda maddenin sergilediği olağandışı özelliklerden faydalanmayı amaçlar.

Geleneksel bilgisayarlar hesaplama sürecinde 0 ve 1’leri kullanırken bir kuantum bilgisayarı, aynı anda iki durumda da (dikey polarizasyon ve yatay polarizasyon) var olabilen kuantum bit (kubit) kullanır.

Kubit’ler, kuantum dolanıklık (parçacık çiftlerinin ya da gruplarının birbirinden bağımsız olarak ölçülemeyeceği ya da tanımlanamayacağı, birbirlerine ‘dolaşmış’ halde oldukları ve durumlarının gruptaki diğer parçacıkların durumuna bağlı olduğu anlamına gelen olay) özellikleri gösterir.

Einstein, Schrödinger ve diğer pek çok bilimcinin başarılı çabalarına rağmen, hala anlaşılamayan sebeplerden ötürü, birbirlerinden sınırsız şekilde uzak olsalar bile bu şekilde bağlanan parçacıklar birbirleri arasında bilgi aktarabiliyor.

Kuantum bilgisayarları üzerine çalışan bilgisayar bilimciler, gelecekte bu mekanizmalardan faydalanarak bugün var olan herhangi bir bilgisayardan milyonlarca kat daha etkili bilgisayarlar üreteceğimize inanıyor.

Kuantum Bilgisayarı Nasıl Çalışır?


Kuantum Bilgisayarı bilgileri 1 ve 0 şeklinde veya bu iki değerin kuantum süperpozisyonu şeklinde depo eder. Bu "Kuantum Bit" (Kubit (Qbit) denir kısaca) kombinasyonları ikili sisteme göre çok büyük bir esnekliğe sahiptir. Süperpozisyon mantığını hatırlamak için bkz. Schrödinger'in Kedisi





Schrödinger'in Kedisi Nedir?

Schrödinger meşhur Schrödinger'in Kedisi adlı düşünce deneyini oluşturmadan önce de kuantum fiziğinin anahtar ismiydi. Şu an evrendeki hareketi tanımlayan denklem olan kuantum dalga fonksiyonunu kendisi oluşturmuştur. Bu denklemin ilginçliği bütün hareketi bir yığın olasılıklar formunda ifade etmesidir.

Bilimde zamanın fizik görüşlerini direkt ihlal eden birşey çıkınca bu o zamanın bilimcilerini fizik gerçekliğinin nasıl işlediği konusunda çeşitli varsayımlara ve yorumlara yöneltir. Schrödinger, kuantum fiziğindeki sorunları tasvir etmek için Schrödinger'in Kedisi kavramını öne sürdü.

Şimdi bu sorunları inceleyelim ve daha sonra Schrödinger'in bunları benzeştirme yoluyla tasvir etmek için yaptığı araştırmayı görelim.

Kuantum Belirsizliği

Kuantum dalga fonksiyonu, koşulları verilmiş bir sistemin bütün fiziksel özelliklerini çeşitli kuantum durumları şeklinde belli bir olasılıkla sergiler.

1 saatlik yarı-ömüre sahip bir radyoaktif atom düşünelim.

Kuantum dalga fonksiyonuna göre tam 1 saat sonra bu radyoaktif atom hem bozunmuş hem de bozunmamış bir durumda olacaktır. Sadece atomun ölçümü yapıldığında dalga fonksiyonu tek duruma indirgenecek fakat bu dalga fonksiyonu ölçüm yapılana kadar iki kuantum durumunun süperpozisyonu (üst üste) olarak kalacaktır.

Bu, kuantum fiziğinin Kophenag Yorumunun anahtar görüşüdür. Kophenag yorumuna göre bu sadece, ölçüm yapılana kadar bilimcilerin atomun hangi durumda olduğunu bilmemelerini değil aynı zamanda fiziksel gerçekliğin de belirsiz olduğunu gösterir. Bazı bilinmeyen yollarla "gözlem eylemi" kuantum durumunun sayısını bire ya da bir alt kümeye indirir. Gözlem eylemi yapılana kadar fiziksel gerçeklik bütün olasılıklar arasında bölünür.


Kedinin Akıbeti

Schrödinger bu konuyu varsayımsal bir kutu içinde varsayımsal bir kedi kurgusu hazırlayarak genişletti.

Kedinin bulunduğu kutu içinde kediyi anında öldürecek bir şişe zehirli gaz yerleştirilmiş olsun. Şişe Gaiger Sayacına bağlanmış bir makinede asılı olsun. Bahsedilen radyoaktif atom da Gaiger sayacının yanına yerleştirilsin ve 1 saatik yarı ömrü olsun. Eğer atom bozunursa, Gaiger sayacı radyasyonu algılayacak ve şişe kırılıp, kedi ölecek. Eğer atom bozunmazsa şişeye dokunulmamış olacak ve kedi yaşıyor olacak.

1 saat sonra atom hem bozunup hem de bozunmadığı kuantum durumunda olacaktır. Her halükarda durumu nasıl kurarsak öyle gözükecektir. Bu da demek olur ki şişe hem kırık hem de değil, sonuçta kuantum fiziğinin Kophenag Yorumuna göre kedi hem canlı hem de ölü olacak.


Shrödinger'in Kedisi'nin Yorumu

Stephen Hawking'in bir deyişi vardır "Schrödinger'in Kedisi'ni duyduğumda silahıma uzanmak istedim" Bu birçok fizikçinin şaşkınlığını ifade eder. Çünkü bu düşünce deneyinin sorunu büyüten birkaç yönü var. Benzetmeyle ilgili en büyük problem kuantum fiziğinin sadece mikroskobik ölçekteki atom ve atom altı parçacıklara uygulanabilir olmasıdır, mikroskobik ölçekteki kedi ve zehir şişesine değil.

Kophenag Yorumu bir şeyi gözlemlemenin kuantum dalga fonksiyonunu çökerteceğini (yani burda durumu bire indireceğini) ifade eder. Bu benzetmede ölçme eylemi Gaiger Sayacı tarafından yapılır. Olaylar örgüsünde çok sayıda etkileşimler vardır ve kuantum mekaniksel dünyada gerçekten kediyi izole etmek ya da sistemi parçalara ayırmak imkansızdır.

Kedinin kendisi daha denkleme girene kadar ölçüm çoktan yapılmıştır. Ölçümler Gaiger Sayacının atomları, şişeyi kıran aygıt, şişe, zehirli gaz ve kedinin kendisi tarafından binlerce kez yapılmıştır. Kedinin korkuyla kutunun etrafında dolaşması ya da ölmüş olarak yatması sonucunda bile çeşitli atomlarla ilişkiye gireceğini düşünürsek, kutudaki atomların bile ölçüm yapıyor olduğunu söyleyebiliriz.

Bilimcilerin kutuyu açıp açmaması önemli değildir. İki durumun süperpozisyonu olmaksızın kedi hem canlı hem ölü olacaktır. Çünkü biz ölçüm yapmadan içeride ölçüm yapılmıştır. Gözlem eylemi durumu bire indirdi içeride. Fakat biz ölçüm yapmadık ve bizim tarafımızdan düşününce,

İçerideki gözlem sonucu ölü olan kedi, biz gözlemlediğimizde canlı olabilir.

İçerideki gözlem sonucu canlı olan kedi, biz gözlemlediğimizde ölü olabilir.

Yani kedi hem ölü hem canlıdır.

Kophenag Yorumunun bazı katı görüşlerine göre, aslında bilinçli bir varlığın gözlem yapması gereklidir. Kuantum dalga fonksiyonunlarının çökmesinin bilinçle ilişkili olabileceğine dair bir takım argümanlar olmasına rağmen, yorumun bu katı formu bugün çok az fizikçi tarafından benimsenir.

Diğer bir yorum, kuantum fiziğinin paralel evrenler görüşüdür. Bu yorum, bu durumun bir kaç evrende kollara ayrıldığını öngörür. Bu dünyalardan bir kısmında kutu açıldığında kedi ölü olacak diğer kısmında yaşıyor olacaktır.


Bilim kurgucu yazarlar ve toplum için ilgi çekici olan Paralel Evrenler Görüşü, doğru ya da yanlış olduğuna dair spesifik herhangi bir kanıt olmamasına rağmen çok az sayıda da olsa bir miktar fizikçi tarafından benimsenir.






Spesifik olarak kuantum bilgisayarı geleneksel bilgisayarların hayal dahi edemeyeceği büyüklükte hesaplamalar yapabilecek kabiliyette olacak. Bu konu şifreleme alanında ciddi bir endişe de yaratmaktadır. Bazı kimseler pratikte başarılı bir kuantum bilgisayarının dünyanın finansal sisteminin, şimdiki bilgisayarların çözmeyi asla başaramayacakları büyüklükteki sayılardan oluşan şifreleme sistemlerini aşarak çökerteceğinden endişe etmektedir.

Çift yarık (Young) deneyi

Young deneyi olarak da bilinen çift-yarık deneyi, madde ve enerjinin aynı anda dalga ve parçacık özellikleri sergileyebileceğini gösterir. Deneyin basit versiyonunda lazer ışını gibi koherent (eş fazlı) bir ışık kaynağı, iki paralel yarık açılmış ince bir levhayı aydınlatır, ve yarıktan geçen ışık levhanın arkasındaki bir ekranda gözlemlenir. Işığın dalga doğası ışık dalgalarının iki yarıktan da geçerek girişim yapmasını, ve ekranda aydınlık ile karanlık bantlar oluşturmasını sağlar, ki bu sonuç ışık tamamen parçacıklı yapıda olsa beklenemez. Fakat, parçacıklardan veya fotonlardan oluşuyormuş gibi, ekranda her zaman ışığın soğurulduğu görülür.Bu durum dalga-parçacık ikiliği olarak bilinen prensibi ortaya koyar.

Kuantum bilgisayarıdaki bu devasa hızın nasıl yaratıldığına örnek verelim: Eğer 1 kubit, 1 ve 0 durumları olmak üzere süperpozisyon durumundaysa ve süperpozisyonda olan bir diğer kubit ile birlikte bir hesaplama ortaya koyduğunda tek bir hesap sonucunda 4 ayrı sonuç elde edilir, bunlar 1/0 , 1/1 , 0/0 , 0/1 değerleridir. Bunlar, matematiğin, kuantum sisteme uyguladığı ve süperpozisyondan tek bir duruma çökene kadar ortaya koyduğu gerçek değerlerdir. Oysa aynı durumda klasik bilgisayarın yapabileceği hesaptan çıkan sonuç 1/0 veya 0/1 gibi tek bir değer olabilir. Bu durumda, hesaplamaya katılan kubit'lerin arttırılması sonucu yapılacak hesap ile, aynı sayıda klasik bit'lerin hesap miktarı arasında, katlanarak büyüyen devasa bir fark oluşacağı aşikardır. Kuantum bilgisayarlarının esas kabiliyeti eşzamanlı (paralel) olarak çoklu işlem yapabilmesidir ( Buna kuantum paralelizm denir). Kuantum bilgisayarındaki tam fiziksel mekanizma teorik olarak çok daha kompleks ve sezgisel olarak anlaşılması güçtür. Genelde bu tarz işlemler paralel evrenler yorumuyla açıklanır. Yani çeşitli kubit'lerin süperpozisyonda olmasından dolayı kuantum bilgisayarında hesaplama sadece bizim evrenimizde değil eş zamanlı olarak diğer evrenlerde de oluşur. Tabi ki bunlar teorik yorumlardır.



Kuantum Hesaplamanın Tarihi Kuantum hesaplamanın çalışma mantığının temelleri 1959'da Richard Feynmann'ın "kuantum etkilerini" daha iyi bilgisayarlar yapmak için kullanma fikrini ortaya koymasına dayanır. Tabi ki kuantum etkileriyle hesaplamadan önce, o zamanlarda bilimciler ve mühendisler geleneksel bilgisayarları geliştirme çabasındaydı. Bu yüzden yıllarca Feynmann'ın önerisini hayata geçirecek çapta bir çalışma yapılmamıştır. 1985'te Oxford Üniversitesinden David Deutsch tarafından "kuantum mantık kapıları" fikri ileri sürülerek, kuantum fiziği alanı bilgisayarlar içine dahil edildi. Deutsch'un bilimsel makaleleri herhangi bir fiziksel hesaplamanın kuantum bilgisayarlarına uygulanabileceğini gösterdi. Yaklaşık on yıl sonra 1994'te Peter Shor adında bir matematik mühendisi çarpanlara ayrıma yapan 6 kubitlik bir algoritma tasarladı. Böylece artık çok küçük çaplı bir kuantum bilgisayarı geliştirilmişti. Bu olaydan sonra 1998'de küçük hesaplamaları "eşfazlılığı kaybetmeksizin" birkaç nanosaniyede yapan 2 kubitlik bilgisayar geliştirildi. 2000'de 4 ve 7 kubitlik kuantum bilgisayarları da başarıyla yapıldı. Bu alandaki çalışmalar tüm hızıyla devam etmektedir. Başlangıç olarak atılan bu başarılı adımlar temel teorinin sağlamlığını göstermektedir.


Kaynak : https://webseyyahi.blogspot.com

http://tr.wikipedia.org/

http://khosann.com/

http://www.fizikmakaleleri.com/

1 yorum: