Klasik bilgisayarların işlem gücü onlarca yıldır önemli ölçüde arttı. Ancak transistörlerin küçültülmesi ve işlemcilerin geliştirilmesi fiziksel ve mühendislik sınırlarıyla karşı karşıya bulunuyor.
Bu durum, klasik bilgisayarların yerini tamamen alacak yeni bir bilgisayar geliştirmekten çok, klasik yöntemlerle çözülmesi çok zor olan belirli problemlere farklı biçimde yaklaşabilecek hesaplama yöntemlerinin araştırılmasına yol açtı. Bu alanlardan biri kuantum hesaplamadır.
Kuantum bilgisayarlar, kuantum mekaniğinin süperpozisyon, dolaşıklık ve girişim gibi özelliklerini kullanarak bilgi işler. Bu özellikler bazı algoritmalarda klasik bilgisayarlardan farklı ve belirli durumlarda daha verimli hesaplama yöntemlerinin geliştirilmesine olanak sağlar. Ancak kuantum bilgisayarların bütün işlemleri klasik bilgisayarlardan daha hızlı gerçekleştirdiğini söylemek doğru değildir.
Kuantum işlemcilerin çalıştırılmasında kullanılan seyreltme buzdolabının görselleştirmesi. Süperiletken kübit tabanlı sistemlerde kuantum işlemciler, çok düşük sıcaklıklarda çalıştırılır.
Görsel: OJB Quantum / Onri Jay Benally, Wikimedia Commons — CC BY 4.0
Kuantum hesaplama, bilgiyi işlemek için kuantum sistemlerinin özelliklerinden yararlanan bir hesaplama alanıdır. Modern kuantum hesaplama düşüncesinin gelişimi özellikle 1980’li yıllarda hızlandı. Fizikçi Richard Feynman, kuantum sistemlerinin davranışlarını klasik bilgisayarlarla simüle etmenin zor olabileceğine dikkat çekerek bu sistemlerin kuantum mekaniksel cihazlarla daha doğal biçimde modellenebileceğini öne sürdü.
Kuantum bilgisayarlarda bilgi, klasik bilgisayarlardaki bitlerden farklı özelliklere sahip kuantum bitleri, yani kübitler aracılığıyla temsil edilir. Kübitler süperpozisyon ve dolaşıklık gibi kuantum özelliklerinden yararlanabilir. Kuantum algoritmaları ayrıca olası sonuçların genliklerini güçlendirmek veya azaltmak için kuantum girişimini kullanır.
Bu özelliklerin birlikte kullanılması, belirli hesaplama problemlerinde klasik algoritmalardan farklı avantajlar sağlayabilir.
Hayır.
Kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarların yaptığı bütün işlemleri daha hızlı gerçekleştirdiği düşüncesi doğru değildir. Kuantum avantajı probleme ve kullanılan algoritmaya bağlıdır.
Örneğin Peter Shor tarafından geliştirilen kuantum algoritması, yeterince büyük ve hata düzeltmeli bir kuantum bilgisayarda büyük tam sayıların çarpanlara ayrılması gibi belirli problemlerde bilinen klasik yöntemlerden önemli ölçüde daha verimli olabilir. Lov Grover tarafından geliştirilen algoritma ise yapılandırılmamış bir arama problemi için klasik yöntemlere göre kuadratik hızlanma sağlayabilir. Kuantum sistemlerinin simülasyonu da kuantum bilgisayarların önemli potansiyel kullanım alanlarından biridir.
Buna karşılık metin işleme, internet tarama, video izleme veya günlük ofis uygulamaları gibi sıradan işlemler için kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarlardan daha hızlı olması beklenmez. Bu nedenle kuantum bilgisayarlar, klasik bilgisayarların doğrudan yerine geçecek cihazlardan çok belirli problemlerde onlarla birlikte kullanılabilecek özel hesaplama sistemleri olarak değerlendirilmektedir.
Klasik bilgisayarların temel bilgi birimi bittir. Bir klasik bit belirli bir anda: 0 veya 1 değerlerinden birini taşır. Kuantum bilgisayarın temel bilgi birimi ise kübittir. Bir kübitin kuantum durumu matematiksel olarak 0 ve 1 temel durumlarının bir süperpozisyonu şeklinde ifade edilebilir.
Bu durum genel olarak: |ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩ şeklinde gösterilir. Buradaki α ve β, ölçüm sonuçlarının olasılıklarıyla ilişkili karmaşık sayı katsayılarıdır. Kübit ölçüldüğünde sonuç 0 veya 1 olarak elde edilir.
Dolayısıyla bir kübit için “0 ile 1 arasında herhangi bir ara değer saklar” ifadesi doğru değildir. Kübit, 0 ve 1 durumlarının belirli genliklere sahip kuantum süperpozisyonunda bulunabilir.
Süperpozisyon, bir kuantum sisteminin ölçüm yapılmadan önce birden fazla temel durumun matematiksel birleşimiyle tanımlanabilmesidir.
Örneğin iki kübitten oluşan bir sistem: 00, 01, 10 ve 11 durumlarının süperpozisyonunda bulunabilir. Kübit sayısı arttıkça sistemin kuantum durumunu tanımlamak için gereken genliklerin sayısı üstel biçimde artar. Ancak bu, kuantum bilgisayarın bütün sonuçları hesaplayıp kullanıcıya aynı anda verdiği anlamına gelmez.
Ölçüm sonucunda yalnızca sınırlı miktarda klasik bilgi elde edilir. Kuantum algoritmalarının asıl amacı, girişim ve dolaşıklık gibi mekanizmalardan yararlanarak istenen sonucun ölçülme olasılığını artırmaktır.
Dolaşıklık, iki veya daha fazla kuantum sisteminin durumlarının birbirlerinden bağımsız olarak tanımlanamadığı bir kuantum özelliğidir. Dolaşık kübitlerden oluşan bir sistemde tek tek kübitlerin durumları yerine bütün sistemin ortak kuantum durumu önem kazanır. Kuantum algoritmalarında dolaşıklık, süperpozisyon ve girişimle birlikte hesaplamanın temel kaynaklarından biri olarak kullanılabilir.
Ancak yalnızca çok sayıda dolaşık kübite sahip olmak bir kuantum bilgisayarı otomatik olarak hızlı hâle getirmez. Hesaplama avantajı için uygun bir kuantum algoritmasının ve yeterince düşük hata oranlarının da bulunması gerekir.
Klasik Bilgisayarlarla Kuantum Bilgisayarların Farkı Nedir?
Klasik bilgisayarlar bilgiyi bitler aracılığıyla işler. Modern işlemcilerde bu bitler transistörler gibi elektronik bileşenlerde fiziksel olarak temsil edilir. Kuantum bilgisayarlarda ise kübitler farklı fiziksel sistemlerle oluşturulabilir.
Bunlara:
örnek verilebilir.
Kuantum bilgisayarların çalışma biçimi klasik bilgisayarlardan farklı olsa da gerçek kuantum sistemlerinin çalıştırılması için klasik bilgisayarlara da ihtiyaç vardır. Klasik elektronik sistemler kuantum işlemciyi kontrol eder, ölçüm sonuçlarını toplar ve kuantum algoritmasının farklı aşamalarını yönetir.
Bu nedenle gelecekteki hesaplama altyapılarının klasik ve kuantum sistemlerin birlikte kullanıldığı hibrit yapılar içermesi beklenmektedir.
Kuantum hesaplamada kübitler önce belirli bir başlangıç durumuna hazırlanır. Daha sonra kuantum kapıları adı verilen işlemler kullanılarak kübitlerin durumları değiştirilir. Bu işlemler süperpozisyon oluşturabilir, kübitleri dolaşık hâle getirebilir ve farklı hesaplama yolları arasında girişim meydana getirebilir. Algoritmanın sonunda kübitler ölçülür.
Bir kuantum devresi genellikle birçok kez çalıştırılır ve ölçüm sonuçlarının istatistiksel dağılımı incelenir. Kuantum algoritmasının tasarımı, doğru sonuca karşılık gelen ölçüm sonuçlarının olasılığını artırmaya çalışır.
Kuantum hesaplamanın gelecekte avantaj sağlayabileceği düşünülen alanlardan biri kuantum sistemlerinin simülasyonudur. Moleküllerin ve malzemelerin kuantum mekaniksel davranışlarını klasik bilgisayarlarla ayrıntılı biçimde hesaplamak sistem büyüdükçe son derece zorlaşabilir. Kuantum bilgisayarların bu tür sistemleri doğrudan kuantum özelliklerinden yararlanarak modelleyebilmesi araştırılmaktadır.
Diğer potansiyel kullanım alanları arasında:
bulunmaktadır.
Ancak bu alanların tamamında kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarlardan pratik olarak üstün olduğu gösterilmiş değildir. Birçok uygulama halen araştırma aşamasındadır.
Kuantum Bilgisayarların Önündeki En Büyük Sorun: Hatalar
Kübitler çevrelerinden gelen etkilere karşı oldukça hassastır. Sıcaklık değişimleri, elektromanyetik gürültü ve diğer çevresel etkiler kuantum durumlarının bozulmasına neden olabilir. Bu olaya dekoherans adı verilir. Kuantum kapılarında ve ölçümlerde de hatalar oluşabilir.
Bu nedenle büyük ve güvenilir kuantum bilgisayarların geliştirilmesindeki temel araştırma alanlarından biri kuantum hata düzeltmedir. Kuantum hata düzeltmede tek bir güvenilir mantıksal kübit oluşturmak için çok sayıda fiziksel kübit kullanılması gerekebilir. Günümüzde kuantum bilgisayar geliştirme çalışmalarının önemli bir bölümü kübit sayısını artırmanın yanı sıra hata oranlarını azaltmaya ve hata düzeltmeli mantıksal kübitler geliştirmeye odaklanmaktadır.
Türkiye’de kuantum teknolojileri alanında üniversiteler, kamu kurumları ve teknoloji şirketleri tarafından çeşitli araştırma çalışmaları yürütülmektedir. Bu alandaki önemli gelişmelerden biri TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi bünyesinde geliştirilen QuanT projesidir. Türkiye’nin ilk yerli tasarım kuantum bilgisayarı olarak tanıtılan **QuanT**, 21 Kasım 2024 tarihinde TOBB ETÜ Teknoloji Merkezi’nde kamuoyuna tanıtıldı.
QuanT, TOBB ETÜ Elektrik-Elektronik Mühendisliği bünyesinde süperiletken kuantum elektroniği üzerine yürütülen araştırmaların sonucunda geliştirildi. TOBB ETÜ’nün açıklamasına göre proje üç akademisyen ve yedi lisansüstü öğrenciden oluşan 10 kişilik bir ekip tarafından hazırlandı.
ASELSAN da kuantum teknolojilerini araştırma ve yatırım alanları arasında değerlendiriyor. ASELSAN ile TOBB ETÜ iş birliği kapsamında üniversite yerleşkesinde Kuantum Teknolojileri Araştırma Laboratuvarı, yani KUANTAL kuruldu. ASELSAN’ın resmi raporlarına göre burada kuantum hesaplama, kuantum programlama, kuantum kriptografi, algılama, navigasyon ve haberleşme gibi alanlarda çalışmalar yürütülüyor.
ASELSAN 2026 yılında da kuantum hesaplama teknolojilerini öncelikli yatırım yaptığı yeni teknoloji alanları arasında göstermeye devam ediyor. Bu çalışmalar Türkiye’de kuantum teknolojileri için donanım, yazılım ve araştırmacı altyapısının geliştirilmesine yönelik faaliyetlerin sürdüğünü gösteriyor.
Mevcut bilimsel yaklaşım, kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarları tamamen ortadan kaldıracağı yönünde değildir. Kuantum bilgisayarlar belirli problem sınıflarında avantaj sağlamayı hedefleyen özel amaçlı hesaplama sistemleridir.
Klasik bilgisayarlar günlük hesaplama, veri işleme ve kontrol işlemlerinde kullanılmaya devam ederken kuantum işlemcilerin belirli problemlerde hızlandırıcı görevi üstlenmesi beklenmektedir. Kuantum hesaplama alanındaki temel hedeflerden biri, hata düzeltmeli ve yeterli ölçekte kuantum bilgisayarlar geliştirerek klasik bilgisayarlarla pratik biçimde çözülemeyen bazı problemlerin hesaplanmasını mümkün hâle getirmektir.
