Quantum Computing

Quantum Computing

Günümüz dijital bilgisayarlarının temelini oluşturan transistorlar, bilgiyi 1 veya 0 olarak kodlamada anahtar rolü oynamaktadır. Transistorlar, üzerlerine (Gate) uygulanan gerilim değişikliklerine tepki vererek, iletken (1 state) veya yalıtkan (0 state) durumları arasında geçiş yaparlar. Ancak, mikro elektronik alanındaki hızlı gelişmeler, bu nano boyuttaki minik anahtarların sınırlarını zorlamaktadır.

Moore Yasası, transistor boyutlarının her on sekiz ayda yarıya indirilmesiyle entegre devrelerin içine daha fazla transistor sığdırılmasını mümkün kıldı. Ancak, silikon tabanlı transistörlerin boyutlarının daha da küçültülmesi, silikonun yarı iletken özelliğini kaybetme riskini beraberinde getiriyor. Bu sorunun temelinde, Gate mesafesinin küçülmesinin quantum tunelling etkisine (elektronların bariyeri aşması) neden olması yatmaktadır. Bu durum, Moore Yasası'nın artık sürdürülemez hale geldiğini düşündürmektedir.

Bilim dünyası, bilgi işleme hızını artırmak adına sürekli olarak yeni çözümler arayışında bulunmaktadır. Bu bağlamda, özellikle 'Parallel Processing' ve 'Quantum Computing' teknolojileri üzerinde gerçekleştirilen önemli araştırmalar, bilgisayar dünyasında önemli bir dönüşümün habercisi olmuştur.

Parallel Processing, birçok işlemcinin eş zamanlı ve paralel olarak çalıştırılmasına dayanan bir kurgu sunmaktadır. Bu anlayış, GPU (Graphical Processing Unit) ve TPU (Tensor Processing Unit) gibi konseptlerde hayat bulmuş ve bu sayede oldukça yüksek işlem hızlarına ulaşılabilmektedir. Bu durumu basit bir örnekle açıklamak gerekirse, bir sayfaya yazı bastırmayı düşündüğümüzde; CPU tek harfi, GPU kelimeleri ve TPU ise sayfayı tek seferde basma kapasitesine sahiptir. Günümüzde, görüntü işleme, ses tanıma, doğal dil işleme gibi uygulamalarda milyonlarca iterasyonu ve hesaplamayı eskiye oranla büyük bir hızla gerçekleştirebiliyor olmamız, GPU ve TPU alanındaki gelişmelerin bir sonucudur.

Quantum Computing ise Quantum Mechanics ilkelerine göre atom altı parçacıkların davranışlarının modellemesinden yola çıkarak hesaplama hızını eksponansiyel olarak artıran, dijital bilgisayarlara hiç benzemeyen bir teknoloji olarak karşımıza çıkmaktadır.

Quantum Computing, mevcut dijital bilgisayarlara hiç benzemeyen ve Quantum Mechanics ilkelerine dayanan yeni bir teknolojidir. Klasik fizikte, bir cismin belirli bir yerde olma durumu gözlemlenebilirken, Quantum dünyasında bu durum bir dalga fonksiyonu tarafından ifade edilir. Bir başka ifade ile Quantum Mechanics, her parçacığın bir dalga fonksiyonu ürettiğini (Wave Function), parçacıkların sürekli titreşim halinde olduğunu ve dalgalar şeklinde hareket ettiğini savunur. Bu karmaşık konuyu şöyle açıklamaya çalışalım.

Bilgisayarların ekran çözünürlüklerini piksel olarak ifade ederiz. Piksel, ekranın tanımlanabilen en küçük birimidir. Quantum Mechanics konseptinde evrendeki en küçük mesafe plank sabiti ile tanımlanır (h=6.626×10^−34 joule saniye). Bu, çok ama çok küçük rakam klasik fizik dünyasında çok bir şey ifade etmese de Quantum Mechanics dünyasında Quantum parçacıklar (atom altı parçacıklar: elektron, nötron, proton, nucleus) açısından çok şey ifade eder.

Örneğin, 620 gram ağırlığındaki bir basketbol topunu 9 m/sn hızla atış yaptığınızı düşünelim. Klasik fizik açısından, topun izlediği eğik atış eğrisini gözlemleyebilirsiniz. Ancak, gerçekte top sürekli titreşim halindedir ve kendi dalga boyu mesafesinde salınarak ilerler (λ=h/mv). Basketbol topunun dalga boyu, kütlesi nedeniyle bir atomun çapından bile küçük olduğu için bu salınım gözle görülemez ve klasik fizikte genellikle dikkate alınmaz.

Şimdi, aynı hızda bir elektronu düşünelim. Elektron parçacığı da basketbol topu gibi kendi dalga boyu mesafesinde salınarak yol alır. Mikroskobik bir ölçekte baktığınızda, elektronun parabolik bir yörünge izlemediğini, sürekli olarak yer değiştirdiğini gözlemleyebilirsiniz. Bu durum, elektronun dalga boyunun kendisinden daha büyük olması nedeniyle ortaya çıkar.

Quantum Mechanics'de bu durum parçacıkların aynı anda birden fazla yerde bulunabileceği (super-position) ve gerçek konumlarının sadece ölçüm anında belirlenebileceği anlamına gelir. Ölçüm, sanki bir fotoğraf çekiyormuşuz gibi sürece baktığımızda, elektronun o anki yerini görmemizi sağlar. Ancak, bu yer sürekli olarak değiştiği için, elektronun gerçek konumu tüm olasılıkların bir toplamı olarak ifade edilir.

Burada çok detaya girmeden Quantum Computing konusunda bu konunun neden önemli olduğunu açıklayalım.

Elektronlar dış ortamdaki termal enerjinden kaynaklı sürekli titreşim halindedir. Elektronun pozisyonu, spin-up­ ve spin-down¯ olarak ifade edilen iki durumu içeren bir super-position olarak tanımlanır. Quantum Computing ‘de bu durum, spin-up:1, spin-down:0 olarak ifade edilir ve bu yapıya Qubit adı verilir.

Quantum konusunda asıl mesele Qubit olarak adlandırılan bu yapının yani elektronun pozisyonunun bir anahtarlama aracı olarak kullanılabilmesinde yatar. Herhangi bir yöntemle elektronun pozisyonu spin-up­ dan spin-down¯ (1’den 0 durumuna) ya da tam tersi (0’ dan 1) olacak şekilde kontrol edilebilirse, bu durum quantum bilgisinin de aynen klasik dijital bilgisayarda olduğu gibi durumunun (0 ya da 1) belirlenmesi amacı ile kullanılabilmesine olanak sağlar. Nano boyuttaki elektronu manipüle edebilme ve buradan yola çıkarak gerçek dünya problemlerine çözüm üretebilme konusu Quantum Computing konseptinin ana temasıdır.

Qubit oluşturmak ve bu etki üzerinden anahtarla etkisi oluşturmak için kullanılan yöntemlerden biri silikon kristal yapısı içerisine (drain ile source arasına) fosfor atomunun yerleştirilmesidir. Bu mevcut teknojiler üzerinden gerçekleştirilebilen bir konudur. Buradaki ana tema fosforun ekstra elektronu üzerinden + gerilimin elde (yüksek enerji seviyesi) edilebilmesidir.

Elektronun manipüle edilebilmesi için stabil konumda tutulmaları bu aşamada önemlidir. Zira, elektronlar ortamdaki ısıdan (termal enerji), gürültüden, etkisinde kaldıkları nucleusların ve ışık fotonların oluşturduğu elektromanyetik dalgalardan kaynaklı olarak sürekli osilasyon halindedirler. Elektronun, sabit/stabil bir pozisyonda kalabilmesi için öncelikle bu etkilerin indirgenmesi gerekir. Bunun için ortam sıcaklığının mutlak sıfır değerine getirilmesi gerekir ki termal enerji kaynaklı titreşim olmasın (mutlak sıfır = -273 santigrat derece ya da 0,01 Kelvin). Internet üzerinde Quantum Bilgisayar prototiplerine baktığınızda, görünen resmin büyük kısmı aslında mutlak sıfır sıcaklığına ulaşmak için gerekli soğutucu düzeneklerdir.  Yani, sistemin büyük kısmı içinde helyum gazı bulunan bir buzdolabı gibi çalışır.

Süreç asıl buradan sonra başlar. Mevcut durumda silikon transistoru Gate üzerine uygulana gerilim üzerinden iletken duruma getiririz. Gate ’in + olması source ve drain arasında akımın oluşmasına olanak tanır. Quantum ’da ise source ve drain arasındaki akımın sağlanması, yani silikon transistorun iletken duruma geçmesi ara katmandaki fosfor elektronunun (+ ile gösterilen) yüksek frekansta mikro dalga üzerinden spin-up pozisyonuna getirilmesi ile sağlanabilmektedir. Bu frekansa rezonans frekansı denilir ve elektron aynen bir radyo istasyonuna bağlanır gibi bu frekansta tepki verir. Sürecin yukarıdan aşağı değil (Gate üzerine uygulanan + gerilim ile değil), aşağıdan yukarı doğru (silikon kristali içindeki fosfor elektronunu) tetiklenmesi Quantum konusunun ne denli karmaşık ancak bir o kadar da etkileyici olduğunu göstermektedir.

Quantum Computing konusunda lojik yapılarda farklıdır. Klasik dijital lojik kapıların yerini Quantum logic kapılar alır. Hadamard, CNOT, X, Z gate gibi kapılar farklı lojik operasyonları yürütmek için kullanılır.

Quantum Computing konsepti klasik bilgisayarlara göre oldukça yüksek hesaplama hızına sahiptir. Bunun nedeni, Qubit yapısındaki super-position özelliği ve quantum algoritmalarıdır. Örneğin, sıralı olmayan 1 milyon telefon numarası içinden aranılan bir numarayı klasik bilgisayarlar üzerinden aramaya çalışırsak ortalama 500 bin iterasyon yapmamız gerekir iken bu süreç quantum bilgisayarlarda 1000 iterasyona düşmektedir. (Bir milyonun karekökü) Bunun nedeni qubitlerin super-position yetisine sahip olması ve iterasyonların paralel yapılabilmesidir. Bu yeti, quantum bilgisayarların arama, farklı kuantum sistemlerin simülasyonu, kriptoloji ve optimizasyon gibi alanlarda son derece etkili olabilecekleri anlamına gelmektedir. Ancak, bunu gerçekleştirebilmek için hem quantum donanımına hem de quantum algoritmalarına eş zamanlı gereksinim vardır. Halen, laboratuvar koşullarında oluşturulan quantum bilgisayarlar üzerinden özel problemlerin çözümü üzerine algoritma çalışmaları yapılsa dahi, ev ya da iş yerlerimizde quantum bilgisayarları görebilmemiz için biraz daha zamana ihtiyaç var gibi duruyor.

Bu konuyu, AI‘ın quantum algoritmalar ve quantum bilgisayarlar üzerinde çalıştığında nasıl bir etki olacağını sorarak noktalayalım isterseniz.