Kuantum bilgisayarlar-II

Önceki makalede, bilgisayar tasarlamak ve yapmak için temel koşulunun, kullandığın aritmetik ile donanım arasında bire bir ilişki kurmak olduğu anlatılmıştır. Ondalık sistem ile 50-60’lı yılların hesap makineleri, ikili sitem ile günümüz bilgisayarları tasarlanmıştır. Önümüzdeki on yıl içinde, hayallerimiz zorlayacak kabiliyetler ile donatılmış kuantum bilgisayarlar piyasaya çıkacaktır. Bu makalede kuantum bilgisayarlarının nasıl tasarlanmakta olduğu anlatılacaktır.

Lise fizik derslerinde bile yarıiletken teknolojisi kullanılarak, çok küçük boyutlarda, nasıl transistör yapıldığı anlatılmıştır. Bunların nasıl yapıldığı sadece bir mühendislik problemidir ve bu makaleyi okuyanlar için önemli de değildir. Önemli olan belli bir hacım içine çok sayıda transistörü yerleştirmektir. Elektronik aletlerin, örneğin cep teleofonlarının, gittikçe küçülmesinin ve kabiliyetlerinin artmasının nedeni budur. Bilgisayarın belleğinde ve işlemcilerinde karalı bir şekilde çalışan, çok sayıda transistör vardır.  Görüldüğü gibi akımın geçmesi veya geçmemesi gibi fiziksel olayların toplamı işlemciye işlevsel bir özellik kazandırmaktadır.

 Kuantum fizik kanunları, klasik fizik kanunlarından çok farklıdır. Kuantum bilgisayarlarda transistör yerini iyona bırakmaktadır. Bunun anlamı bilgi ve işlevselliğin transistör yerine bir kuantum sistemine yüklenmesidir. Böyle bir teknolojiyi oluşturabilmek için önce iyonun, yani iyona bağlı elektronun, transistör gibi karalı bir durumda işlemciye yerleştirilmesi ve belli bir konumda kararlılığının sağlanması gerekir. Hürriyette çıkan haberde elektronun hapsedilmesi bu anlama gelir. Optik kafes denilen yöntem ile iyona bağlı elektron hapsedilmiş, yani kontrol altına alınmıştır. Bundan böyle tüm bilgisayar işlevselliği hapis edilen iyon elektronu üzerinde tasarlanmaktadır. Bu kuantum bilgisayarların hayata geçirilmesi için gerçekten önemli bir adımdır. Şimdi kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarlara göre ne gibi avantajlar sağlayacağı açıklayalım.

Kuantum fiziği, anlamakta güçlük çekilmeyen ve matematiksel olarak ifade edilebilen dalga olayı üzerine kurgulanmıştır. Örneğin nasıl bir telli sazda farklı ses veren iki vuru üst üste binerek yeni bir ses meydana getiriyorsa, kafeslenmiş iyona bağlı elektrona eşlik eden dalga, kuantum fiziğine göre üst üste biner, yani süper-pozisyon yapar, yani kendine göre yeni bir ses meydana getirir. Kuantum bilgisayarlarının gücü kafeslenmiş elektronun süper-pozisyon durumunda bulunmasından kaynaklanır. Bu anlayışı derinleştirirsek, bir atomu tanımlayan dalganın süper-pozisyon yapması, yani yeni bir ses meydana getirmesi, atomun bu süper-pozisyonu oluşturan dalgaların her birinde aynı anda bulunması anlamına gelir. Bu açıkça bir elektronun aynı anda farklı konumlarda bulunma olasılığının sıfır olmadığını söyler. Olayı makroskopik uzayda düşünürsek, aynı bir atomun aynı anada hem İstanbul’da hem Ankara’da bulunması gibi bir şeydir, aklın alabileceği bir iddia değildir, ancak gerçektir. Kuantum fiziğini ilginç kılan, atomik boyutlarda doğanın sergilediği bu garip davranışları sitematize edebilmiş olmasıdır. Kuantum bilgisayarların gücü, farklı vuruların oluşturduğu yeni sesi duyabilmesidir. Klasik bilgisayarlar bunu duyamazlar.

İyona bağlı elektron dönme durumu, yani elektron saat ibreleri veya tersi yönünde dönmesi ile tanımlıdır. Örneğin elektronun saat ibreleri yönünde dönmesini (1) ile zıt yönde dönmesini (0) ile gösterelim. Bu klasik bilgisayarlara benzer. Ancak doğa atomik boyutlarda klasik fiziğin tanımladığı özelliklerden farklı davranır. İyona bağlı elektronun sadece saat ibreleri veya tersi yönde dönüyor olamaz, ayrıca bu iki durumun üst üste binmesi (süper-pozisyonu) yani aynı anda her iki yönde dönmesi de olasılıklardandır.  Doğanın bu özelliği kuantum bilgisayarlarını bir teknoloji harikası yapacaktır. Şimdi bu sesi bilgisayarın duyarak nasıl işlem yaptığı anlatılacaktır.

Üst çizimde klasik bilgisayarlar işlemcilerinde kullanılan transistörlerin akımı geçirme ve geçirmeme durumları (1) ve (0) rakamları ile gösterilmiştir. Buna, yukarda

tanımlandığı gibi, bilgi birimi yani bit denir. Yukarı yönelmiş ok akımın geçtiğini aşağı yönelmiş ok durdurulduğunu gösterir. Kuantum bilgisayarlarda ise bilgi veya işlem birimi klasik bilgisayarlardan farklıdır. İşlemcide Transistör yerine atomik boyutlarda, yani kuantum fiziğinin geçerli olduğu boyutlarda,  kafeslenmiş iyonlar, donanım olarak kullanılır. Bu örnekte bir iyon, transistör yerine kullanılmıştır. İyona bağlı olan elektron,  bir topaç gibi, saat ibreleri veya tersi yönde dönebilir. Alt çizim de bu durum gösterilmiştir. Saat ibreleri yönünde döndüğünde, elektron yüklü olduğundan dönme hareketi iyona bir mıknatıs özelliği kazandırır. Bu özellik çizimde N ve S kutupları ile gösterilmiştir. Klasik bilgisayarlara benzer şekilde bunlar (1) ve (0) rakamları gibi görebiliriz. İyona bu şekilde bakarsak transistörlere dayanan tasarımlardan ileriye gidemeyiz. Ancak iyona bağlı elektron sadece saat ibreleri veya zıt yönde dönmekle kalmaz, aynı zamanda her iki durumun bir süper-pozisyonu olan durumda da dönme hareketi yapma olasılığı vardır. Süper-pozisyon durumunda bulunan elektron her iki yönde de dönüş yapıyor demektir. Zamanın beli bir bölümünü saat ibreleri yönünde kalanını diğer yönde dönerek geçirir. Bu durumda elektrona giydirilecek bilgi birimi sayıları ile ifade edilir. Kafanızı karıştırmamak için bir miktar daha açıklamaya çalışayım. Transistörlerde olduğu gibi burada akım ya geçer ya geçmez gibi iki olasılık yoktur. Elektron farklı dönme kuantum durumlarına bilgi veya işlemler tekabül ettirilir. Bu bilgisayar teknolojisinde devrim yapacak bir fiziği ifade eder.21’nci yüzyıl bilgisayarları bu kabiliyet ile donatılmış olarak hayatımıza girecektir. Klasik bilgisayarlarda akım transistörden ya geçer veya geçmez, yani dijital bit (1) veya (0). Kuantum bilgisayarlarda ise üçüncü olasılık vardır.  Bunlar 00, 01, 10, 11 olarak sıralanır ve aynı anda geçerlidirler.

Nasıl klasik bilgisayarlarda transistör sayısı artıkça, işlemcinin kabiliyeti artıyorsa, kuantum bilgisayarlarda da kafeslenmiş iyon sayısı artıkça işlemcinin kabiliyeti artar.  Aynı anada bir kuantum bilgisayar kafeslenmiş iyon sayısı ile orantılı olarak 2N tane işlem yapabilir. Örneğin: iki iyon kafeslenmiş ise 4, üç iyon kafeslenmiş ise 8, beş iyon kafeslenmiş ise 32, on iyon kafeslenmiş ise 1.024, elli iyon kafeslenmiş ise 1.125.899.906.842.624. Bu basit hesaptan anlaşılacağı gibi kuantum bilgisayarların kabiliyetlerine bir sınır çizmek çok güç olacaktır.

Kubit, kuantum bilgisayarlarının bilgi birimi ile klasik bilgisayarların bilgi birimi bit arasında benzerlikler vardır. Fakat birisi klasik fiziğe diğer kuantum fiziğine göre tanımlanmışlardır. Yukarıda belirtildiği gibi iyon dijital bit gibi (1) veya (0) durumunda bulunduğu gibi bunların süper-pozisyonunda da bulunabilir. Kuantum bilgisayarları farklı kılan bu özelliğidir. Buna göre bir Kubit:

                                               000, 001, 010, 011
                                               100, 101, 110, 111

Görüldüğü gibi şu anda mikro işlemciyi tasarlayanın elinde 8 farklı durum vardır. Klasik bilgisayarlarda ise sadece iki olasılık vardır. Buna bir Kubit denir. Bunun anlamı kuantum fiziğinde bilgi birimin Kubit olduğudur. 000 durumu kafeslenmiş iyon süper-pozisyon durumunda sadece örneğin saat ibreleri yönünde, 001 ise elektron sadece saat ibrelerinin tersi yönünde dönüyor anlamındadır. Her durum belli olasılıklar içinde gerçekleşir. Bu farklı durumlar mantık devrelerinde kullanılmaya başlayınca bilgisayarların kabiliyetleri inanılmaz boyutlarda artar. Burada sadece teorik olarak kuantum bilgisayarların mikroişlemci tasarımında ne gibi olanaklar sunduğunu anlatmaya çalıştık. Gazetelerde yer alan iyonların optik kafeslerde hapsedilmesi önemli bir teknik problemin çözülmüş olduğunu gösterir. Ancak kuantum fiziğinin veya daha doğrusu atomik boyutlarda doğanın sergilediği garip davranışların tümü aşıldığı anlamına gelmez. Burada amacımız bilgisayar dersi vermek değil, bilgisayarların dayandığı fizik ile bilgisayar mühendisliği arasındaki ilişkileri aktarmaktır.