Bir zamanlar kuantum bilişim, akademi salonlarıyla ve bilim kurgu vizyonerlerinin hayalleriyle sınırlı teorik bir konuydu. Gelişmekte olan bu teknoloji alanındaki atılımlar hızlandıkça, ticari, kamu ve endüstriyel sektörlerden gelen ilgi ve yatırım da ivme kazanıyor. Ortaya çıkan kuantum bilişim kullanım alanları, iş dünyası liderleri, teknoloji meraklıları ve geniş halk kitleleri arasında önemli bir heyecan ve sorular yaratıyor.
Bu makalede, en yaygın sorulardan bazılarını ele alacak ve bu devrim niteliğindeki bilgi işlem bilimini çevreleyen gerçekleri abartıdan ayırarak kuantum bilişimi basit terimlerle açıklayacağız.
Basit anlamda kuantum bilişim nedir?
Telefonunuzda, tabletinizde veya dizüstü bilgisayarınızda birden fazla program çalıştırdığınızda neler olduğunu düşünün. Cihaz ısınır, işlemci yavaşlar ve piliniz hızla tükenir. Herhangi bir hesaplama programını çalıştırmak için gereken veri hacimleri ve enerji gereksinimleri arasında doğrudan bir korelasyon vardır.
Kuantum bilgisayarlar bunu başarabilir çünkü en karmaşık hesaplama problemlerini daha verimli bir şekilde çözmenin yeni yollarını geliştirmek için maddenin atomik ve atom altı seviyelerde nasıl davrandığını açıklamaya çalışan bir fizik alanı olan kuantum teorisinin ilkelerini kullanarak çalışırlar. Kuantum bitleri veya kübitler, kuantum bilgisinin en temel birimidir ve kübitlerin klasik bitlerin ikili [0] ve [1] durumlarında veya süperpozisyon olarak bilinen her iki durumda aynı anda bulunmasına izin veren kuantum mekaniğinden yararlanır. Bu, kübitlerin enerji gereksinimi olmadan muazzam miktarda veri depolamasına olanak tanır. Her bir ek kubit, güç tüketimini artırmadan kuantum hesaplama işlem gücünü katlanarak artırır.
Kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarlardan farkı nedir?
Yüksek düzeyde, klasik ve kuantum bilgisayarlar arasındaki farkları, bilgiyi nasıl hesapladıklarına ve nasıl kullanıldıklarına bakarak anlayabilirsiniz.
Kuantum ve klasik bilgisayarlar bilgiyi nasıl hesaplar?
Klasik bilgisayarlar ikili sistemle çalışır. Verileri iletmek için sıfır veya birleri temsil eden elektrik veya optik darbeler göndermek üzere transistörler kullanırlar. Bu sıfırlar ve birler bit olarak bilinir. Kuantum bilgisayarlar, fotonların ve elektronların atom altı özelliklerini kullanarak çalışan kübitleri kullanarak bilgiyi hesaplar.
Kübitler sıfır ve bir durumlarında ayrı ayrı, aynı anda ve aradaki herhangi bir durumda bulunabilir - aksi takdirde süperpozisyon olarak bilinir. Dolanıklık, iki dolanık parçacıktan birinin durumunun, aralarındaki mesafeden bağımsız olarak diğerinin durumunu değiştirebildiği bir olaydır. Bilgisayar işlemlerinde kullanıldığında bu iki olgu, sistemdeki veri miktarına veya algoritmaların karmaşıklığına bakılmaksızın muazzam işlem hızları sunar.
İkili sistemlerde güç, transistör veya bit sayısı doğrusal bir şekilde arttıkça artar. Kübitlerin süperpozisyon yetenekleri nedeniyle, kuantum bilgisayarın işlem gücü her bir ek kübitle katlanarak artar. Araştırmacılar kübitleri ölçeklendirmenin ve kuantum bilgisayarları stabilize etmenin yollarını buldukça, kuantum hesaplama potansiyeli de artmaya devam ediyor. Şu anda araştırmacılar bir kuantum bilgisayarın kullanabileceği kübit sayısını artırmanın yollarını araştırıyor. Bu, ticari olarak uygulanabilir kuantum bilgisayarlar yaratmak için kritik önem taşıyor.
Kuantum ve klasik bilgisayarlar nasıl kullanılır?
Genel kanının aksine, kuantum bilgisayarlar asla klasik bilgisayarların yerini almayacaktır. Kuantum hesaplamanın gerçek değeri, hesaplamaları klasik bir bilgisayar sisteminin yapması gereken sürenin çok küçük bir kısmında yapabilmesinde yatmaktadır.
Öte yandan klasik bilgisayarlar, onlarca yıldır olduğu gibi günlük bilgisayar işleme ihtiyaçları için ideal olmaya devam etmektedir. Kuantum bilgisayarlar aynı anda birden fazla karmaşık hesaplama gerçekleştirme potansiyeline sahiptir ve karmaşık optimizasyon zorluklarını yerine getirerek ve büyük veri setlerini ve simülasyonları analiz ederek klasik bilgisayarları güçlendirir.
Kuantum bilgisayarlar ne tür sorunları çözecek?
İster kuantum ister klasik olsun, bilgisayarlar sadece insanların yapabileceği yenilikleri ve atılımları kolaylaştıran araçlardır. Her araç gibi kuantum ve klasik bilgisayarlar da sorunları daha verimli bir şekilde çözmemizi sağlar. Klasik bilgisayarlar, onlara güvendiğimiz günlük görevlerin yanı sıra son derece gelişmiş algoritmaları bile yönetmek için yeterli işlem gücüne sahiptir. Ancak, sahip oldukları nispeten sınırlı zaman ve bellek alanı nedeniyle belirli türdeki bilgi işlem problemleri bu bilgisayarların yeteneklerinden kaçmaktadır.
Kuantum bilgi işlem sistemleri, muazzam miktarda veriyi klasik muadillerine göre katlanarak daha kısa sürede işleyebilecektir. Bu nedenle, kuantum sistemleri endüstriyel, kamu ve akademik sektörler ve uygulamalar genelinde hızlandırılmış inovasyona olanak sağlamaya hazırdır.
KUANTUM BiLiŞiM KULLANIM ÖRNEKLERi:
Ürün ve teknoloji geliştirme
Kuantum bilişimin benzersiz güçlü işleme özelliği, klasik bilişim yetenekleriyle çözülemeyen ürün ve teknoloji geliştirme zorluklarına çözüm getirilmesini sağlayacaktır. Kuantum bilgisayarlar simülasyon ve emülasyon yeteneklerini optimize ederek ürün geliştiricilerin yüksek doğrulukta, hassas dijital ikizler oluşturmasına ve bunları daha kısa sürede daha kapsamlı bir dizi gerçek dünya senaryosuna karşı test etmesine olanak tanıyacaktır. Bu da daha kısa sürede ve çok daha düşük maliyetle pazara sunulan daha yüksek kaliteli ürünlerle sonuçlanacaktır.
Tıbbi bilimler
Kuantum bilgisayarlar, ilaç geliştirmeden tıbbi teşhis görüntüleme yeteneklerini geliştirmeye kadar, giderek artan sayıda hastalık ve rahatsızlığı araştırabilir ve bunlara çare geliştirebilir. Kuantum bilgisayarlar molekülleri ve hücresel etkileşimleri inanılmaz hızlarda analiz edebilecek ve araştırmacılara dolaşım, hormonlar, metabolik faktörler ve sıcaklık gibi sayısız değişkene bakan insan sistemlerini simüle etme yeteneği kazandıracaktır. Bu sayede klinik deneyler sadece daha eksiksiz değil, aynı zamanda şu anda harcanan süreden çok daha kısa bir sürede gerçekleştirilebilecektir.
Veri güvenliği
Kuantum bilgisayarları, klasik bilgisayarların dijital güvenlik programlarının temelini oluşturan büyük asal tamsayıları üretmek için kullandıkları algoritmaları kırabilir. Bu durum, bu standart şifreleme araçlarını kullanan kuruluşlar için önemli bir tehdit oluşturmaktadır. Aynı zamanda kuantum bilgisayarlar, şifre çözmeye dayanıklı büyük, güvenilir 'gerçek rastgele' sayılar üretebildikleri için siber güvenliği önemli ölçüde iyileştirmek için paradigma değiştiren olanaklar sunmaktadır.
Bilimsel araştırma
Parçacık biliminden astronomiye kadar, süper yüklü makine öğrenimi, yapay zeka ve simülasyon yetenekleri, bilim insanlarının çevremizdeki dünyayı anlamamızı derinleştirecek keşifleri hızlandırmasına olanak tanıyacaktır. Kuantum bilişimin simülasyon yetenekleri, araştırmacıların hava durumunu modelleme, derin okyanus ve uzay gibi şu anda erişilemeyen ortamları simüle etme ve insan vücudunu herhangi bir sayıda senaryo altında modelleme yeteneklerini geliştirmelerine olanak tanıyacaktır.
Tedarik zinciri operasyonları
Tedarik zinciri lojistiği, tüketici, şirket, sanayi ve devlet üzerindeki etkileriyle toplumun her yönünü etkilemektedir. Kuantum bilgisayarların sunduğu simülasyon yetenekleri, küresel tedarik zinciri lojistiğinin karmaşık değişkenlerini yönetebilir ve birden fazla kaynaktan gelen verileri uyumlu hale getirebilir. Kuantum bilgisayarlar kaynak yönetimini optimize edecek ve lojistik planlamayı iyileştirecek, böylece tedarik zinciri operasyonlarının sürdürülebilirlik katsayısını ve değerini artıracaktır.
Kentsel planlama
Kuantum bilgisayar destekli yapay zeka (AI) ve makine öğrenimi (ML), büyük kentsel alanlarda trafik sıkışıklığını izleyecek, tahmin edecek ve azaltacaktır. Bunu yaparken, bu alanlar ve daha geniş bir dünya, kentsel tıkanıklığın azaltılmasından kaynaklanan azaltılmış karbon emisyonlarından ve daha düşük bakım maliyetlerinden yararlanacaktır. Dahası, şehir planlamacılarının bu kentsel ortamlarda yaşayanların yaşam kalitesini artıran daha iyi bilgilendirilmiş kentsel gelişim kararları almasına olanak tanıyacaktır.
Kuantum bilgisayarlar bugün var mı?
1998 yılında ilk kuantum bilgisayarı başarılı bir şekilde çalıştırıldı. O tarihten bu yana özel, kamu ve akademik kuruluşlar kuantum bilgisayarların geliştirilmesi, stabilizasyonu ve ticarileştirilmesi için büyük yatırımlar yaptı. IBM, Google gibi teknoloji şirketleri ve Mercedes-Benz gibi otomotiv devleri, kuantum bilişimi geliştirme, uygulama ve ürün ve hizmetlerine entegre etme konusunda Ulusal Bilim Vakfı (NSF), Avrupa Nükleer Araştırma Örgütü (CERN) ve Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'ne (USTC) katılmaktadır.
Google, IBM ve Intel gibi kilit oyuncular, düzinelerce ve hatta yüzlerce kübit çalıştırabilen ilk kuantum bilgisayar dalgasının geliştirilmesinden sorumluydu. Bu sistemler güçlü olsa da, klasik süper bilgisayarların yeteneklerini aşmak ve gerçek kuantum hesaplama performansına ulaşmak için, araştırmacıların gerçekten uygulanabilir bir ticari kuantum bilgisayarın yaygın olarak kullanılabilmesi için altyapı ve ölçeklendirme zorluklarının üstesinden gelmesi gerekiyor.
Bununla birlikte, gerçek kuantum sistemlerinin geliştirilmesini sağlayan araştırmalar, klasik bilgisayarlarda kuantum etkilerini simüle eden kuantumdan ilham alan algoritmaların artmasına yol açmıştır. Bu algoritmaların gerçek dünya sorunlarına uygulanması, işletmelere yeni içgörüler, maliyet azaltma fırsatları ve gelişmiş operasyonel verimlilik sunuyor.
Bu hibrit sistemlerin ticari avantajları da şirketlere kuantum hazırlığına yönelik düşük riskli bir yaklaşım sunuyor. Kuantumdan ilham alan sistemler üzerinde çalışan aynı algoritmalar ve uygulamalar, karmaşık optimizasyon zorluklarının üstesinden daha kısa sürede gelir. Dahası, kuantumdan esinlenen bu sistemler işletmelere kuantum bilişimi denemek için düşük riskli bir yol sunarken, kuantum bilgisayarlar ticari olarak kullanılabilir hale geldiğinde çalışanlarını bunların kullanımı konusunda eğitir.
Kuantum bilişimin tam potansiyeline ulaşmasını engelleyen zorluklar nelerdir?
Tutarsızlık ve kuantum hata düzeltme zorluklarına ek olarak, bu engellerin üstesinden gelmek için çözümlerin geliştirilmesini hızlandırabilecek nitelikli kuantum araştırmacıları ve mühendislerinin eksikliği de söz konusudur.
Kuantum bilgisayarlarda gürültü ve tutarsızlık
Kuantum bilişim vizyonunun gerçekleştirilmesi, araştırmacıların ikili muadilleri kadar güvenilir kübitler geliştirmelerini gerektirmektedir. Bu süreç dekoherans olarak bilinir ve elektrik ve manyetik alan dalgalanmalarındaki dalgalanmalar ve sıcak nesnelerden gelen radyasyon gibi çevresel değişikliklerin bir sonucudur. Dekoherans, parçacık etkileşimlerini gözlemlemenin pasif eyleminden bile kaynaklanabilir.
Qubitler, dekoherans başlamadan önce belleği yalnızca bir dakikadan daha kısa bir süre saklayabilir, bu da en kontrollü ortamlarda bile oldukça kararsız olan bilgi işlem sistemleriyle sonuçlanır. Şu anda kuantum bilgisayarlar, tutarsızlığı en aza indirmek için mutlak sıfıra yakın sıcaklıklara soğutulmuş ortamlarda çalışmaktadır. Kuantum hesaplama araştırmacıları, tutarsızlığı en aza indirmenin veya bastırmanın, rafta saklanabilir kübitler üretmenin ve işlemcileri bugün mümkün olan düzine kübitin ötesine ölçeklendirmenin yollarını aktif olarak araştırıyorlar.
Kuantum hata düzeltme
Kuantum hesaplama hataları kaçınılmazdır, çünkü en iyi çabalara rağmen kübitleri dış çevresel parazitlerin etkilerinden korumak imkansızdır. Kuantum algoritmaları çok sayıda kübit üzerinde çeşitli işlemler gerçekleştirir. Gürültü, kübitlerdeki bilgiyi rastgele hale getiren parazite neden olarak algoritmik hatalara yol açar. Dolayısıyla, gürültünün etkisi ile bir algoritmanın hatalar sonuçları etkilemeden önce çalışabileceği süre arasında ters bir korelasyon vardır. Gerçek bir kuantum bilgisayarı trilyonlarca işlem yapabilmeyi gerektirir; şu anda araştırmacılar dekoherans ölümcül bir hataya yol açmadan önce sadece düzinelerce işlem yapabilmektedir. Mevcut tahminler, hataya dayanıklı bir kuantum sisteminin tek bir mantıksal kubiti desteklemek için 1000 fiziksel kubit gerektireceğini göstermektedir.
Bu nedenle, kuantum hata tespit, bastırma ve düzeltme stratejileri, hataya dayanıklı kuantum bilgisayarların gerçekleştirilmesi için kritik öneme sahiptir. Kuantum hata düzeltme algoritmaları, klasik sistemleri normalde hataya dayanıklı olan bu sistemleri hatalara karşı daha duyarlı hale getiren aşırı ortamlara yerleştirmek için kullanılan aynı matematiksel yaklaşımlardan yararlanır.
Kuantum hesaplamanın diğer pek çok yönü gibi, etkili kuantum hata düzeltmesi de bir sistemin çalıştırabileceği fiziksel kübit sayısını ölçeklendirme becerisine dayanır. Mevcut tahminler, hataya dayanıklı bir kuantum sisteminin tek bir mantıksal kübiti desteklemek için 1000 fiziksel kübit gerektireceğini göstermektedir. Bunu başarmakla ilgili kaynaklar ve genel maliyetler şu anda savunulamaz, ancak devam eden çok sayıda umut verici deney, kübitleri gürültü ve dekoheransa karşı stabilize etmek için kuantum hata düzeltme stratejilerinin vaadini vurgulamaktadır.
Kuantum bilişim uzmanlarına ihtiyaç var
Kuantum bilişimin önemli potansiyeli, yatırımların artmasına ve yeni şirketlerin bu heyecan verici pazara girmesine yol açmıştır. Hem yeni kurulan şirketler hem de köklü şirketler için kuantum bilişim uzmanları bulmak oldukça zor. Haziran 2022'de McKinsey & Company, dünya genelinde iş ilanlarının nitelikli başvuru sahiplerini üçe bir gibi şaşırtıcı bir oranla geride bıraktığını bildirdi. Rapora göre, birçok üniversite kuantum araştırma programları sunarken, çok azı kuantum teknolojisi alanında yüksek lisans programları sunmaktadır. Dahası, üniversiteler kuantum uzmanlarına olan talebi karşılamadaki rollerini kabul etmelerine rağmen yeni programlar geliştirme konusunda yavaş davranmaktadır.
Kuantum teknolojilerinin tüm potansiyelini hayata geçirmek için güçlü ve çeşitlilik içeren bir kuantum uzmanları havuzuna ihtiyaç duyulacaktır. Erken eğitimde güçlü bilim, teknoloji, mühendislik ve matematik (STEM) programları yarının kuantum öncüleri için zemin hazırlamaktadır. Sürekli eğitim ve beceri kazandırma programları, profesyonellere kariyer değişiklikleri yapmaları ve günümüzün son derece rekabetçi kuantum yetenek pazarından yararlanmaları için ilgili beceri setlerini sağlamaktadır.
Kuantum devrimi yaklaşıyor
Kuantum bilgisayarlar endüstrileri dönüştürmeye ve bilimsel keşiflerde devrim yaratmaya hazırlanıyor. Teknoloji ve tıbbi araştırmalardan siber güvenlik ve tedarik zinciri optimizasyonlarına kadar, kuantum bilgisayarlar toplumun ve iş dünyasının her alanında fayda vaat ediyor. Ticari olarak uygulanabilir bir kuantum bilgisayara henüz yıllar olsa da, artan yatırımlar ve küresel işbirliği atılımların hızını artırıyor ve bizi bu nihai hedefe yaklaştırıyor.
Keysight'ın kuantum çözümleri, araştırmacıların bizi kuantum üstünlüğüne yaklaştıran atılımları gerçekleştirmelerini sağlıyor. Keysight'ın bir kübit kontrol çözümü olan Kuantum Kontrol Sistemi, dünyanın ilk tamamen dijital kuantum kontrol sistemi. Özel kuantum kontrol donanımını ve tam yığın yazılım yeteneklerini bir araya getirerek kullanıcıların kübitlerle hızlı bir şekilde deney yapmaya başlamasını sağlıyor.
