Kuantum bilgisayarlar

Son günlerde gazetelerde sıkça ‘Bit’ yerine ‘Kubit’ bırakacak benzeri kuantum bilgisayarlar ile ilgili haberler yer almaktadır. Bilgisayarlar sosyal hayat ile iç içedir. Bir kilo-bayt (KB) veya bir mega-bayt(MB) gibi sözcükler günlük yaÅŸantımızda yer etmiÅŸlerdir. Ne olduÄŸunu bilmeye gerek duymadan kullandığımız bu sözcüklere bir yenisi ‘Kubit’ eklenmek üzeredir.  Kuantum fiziÄŸinin bir uygulaması olarak, sanırım önümüzdeki 10 sene içinde yaÅŸantımızı derinden etkileyecek Kubit ve kuantum bilgisayarlar hakkında, herkesin anlayabileceÄŸi bir dil ile bilgiler vermeye çalışacağım. Hürriyette bunun la ilgili olarak yayınlanan haberde elektronun hapsedildiÄŸi söylüyor. Ne demektir elektronu hapsedebilmek ve baÅŸarı kuantum bilgisayar elde etmekte teknolojiyi hangi aÅŸamaya taşımıştır? Â

20’inci yüzyılın en önemli keşiflerinden biri olarak gösterilen kuantum fiziği hayal dünyamıza her geçen gün yeni renkler, yeni ürünler, yeni çeşniler katmaktadır. Transistor keşfi ile başlayan elektroniğin minyatirizasyonu ve bilgisayarların günlük yaşantımızda yarattığı değişimlere henüz toplum ayak uyduramadan, ufukta aklın alamayacağı yeni teknolojiler şekillenmektedir. Bu değişim hızını ve boyutunu, 10 sene önceki mobil telefonların büyüklükleri ve kabiliyetleri ile bugünkü telefonların boyut ve kabiliyetlerini karşılaştırarak tahmin edebilirsiniz. TV ekranlarında ses ve görüntü kalitesi, Internet iletişimindeki hız, bilgisayar bellek kapasitelerinde artış, insanın kavrama sınırlarını zorlamaktadır. Bütün bu olasılıklar ve teknolojik gelişmeler sokaktaki insan için bir anlam ifade etmeyen kuantum fiziğinin sonuçlarıdır. 20’inci yüzyılın ikinci yarısında Dünya ticaretinin %40’ı kuantum fiziğine dayandırılarak geliştirilen teknolojiler üzerine yapılmıştır. Şu anda Internet ortamında okuduğunuz gazeteye, bilgi bankalarına ve web sitelerine sizi ulaştıran teknoloji kuantum mühendisliğidir. www.hurriyet.com.tr/ teknoloji sayfasında  ‘Kuantum Efsanesi’ başlığı ile ekranlanan makalede bu konuya bir miktar değinilmiştir.

Kuantum fiziği, maddenin çok küçük boyutlardaki (bir metrenin milyarda biri yani atomik ve moleküler boyutlar) dinamiklerini belli bir olasılık ile veren disiplindir.

İşi biraz başından alarak karmakarışık görünen bilgisayarların nasıl basit bir aritmetik üzerine kurgulandığını anlatmaya çalışacağım, sadece bir miktar sabırlı olmanız gerekecek. Dört işlem, ister mühendis ister matematikçi ister doktor ister esnaf olsun her meslekten insanların temel matematik bilgisini oluşturur. Öğretmen tahtaya bir doğru çizer sıfırdan başlayarak eşit aralıklarla doğru üzerinde noktaları işaretler ve üzerlerine 0,1,2……10,11,12..sayılarını yazar. Buradan anlaşılacağı gibi, aklımıza gelebilecek her sayıyı 0,1….9 rakamlarını kullanarak ifade edebiliriz. Burada sayı ve rakam kavramları arasındaki farka dikkat etmeniz gerekir. Sayıların bu şekilde ifade edilmesine ondalık sistem denir. İlk hesap makineleri, örneğin fasit makineler, daha da ilkseli abaküs, ondalık sistem göre tasarlanmışlardır. Bir sayıyı ifade etmek için kullanılan rakam sayısı artıkça hesap makinelerini tasarlama ve yapma zorlaşır. Şimdi akla şöyle bir soru gelir aklınıza gelen tüm sayıları en az sayıda rakam kullanarak ifade etmek mümkün müdür?  Evet mümkündür. Ondalık sistemde 0,1…9 kadar tam on tane rakam kullanılır. Aklımız gelen tüm sayıları sadece 0 ve 1 rakamlarını kullanarak ifade edebiliriz. Buna ikili aritmetik sistemi (binary) denir. Tüm bilgisayar donanımlarının dayandığı mantık budur. Rakam sayısı azaldıkça fiziksel donanım basitleşir, bilgi işlem sadece matematiksel değildir. Vereceğim örnekleri dikkatle okuyup anlamaya çalışırsanız, karmaşık sistemlerin nasıl basit makinelere dönüştüğünü göreceksiniz. Önce ondalık sayıların ikili aritmetik sisteminde nasıl ifade edildiklerini örnekleyelim.

0=00                    6=00101             12=0001001
1=01                    7=01101             13Â
2=001                  8=000001                         Â
3=011                  9=010001
4=0001               10=001001
5=0101               11=011001

Şimdi içinizden kafamızı niye karıştırıyorsun ondalık sitem ile tüm sayıları ifade ederken bu ikili sistemde nereden çıktı buna neden gerek duyuldu diye itirazlar yükseliyordur. Burada önemli olan bu ikili sistem ile tüm sayıları ifade edildiği, bilginin depolandığı, iletişimin yapıldığı makineleri yapabilmektir. Ondalık sistem ile fasit makinelerden daha ileri gidilmemiştir. Elektrikli hesap makinelerinde de kolu sizin yerinize elektrik çevirmektedir, prensip olarak hiçbir fark yoktur. Şu anada bu makaleyi yazdığım bilgisayar donanımını ondalık sisteme göre üretmek olanaklı değildir. Şimdi ikili aritmetik sistemde bilgisayar donanımı nasıl tasarlanır görelim.

Bilgisayarın karar vermesi, yani herhangi bir konuda evet/hayır ve/veya demesi donanımda bir mantık devresine tekabül eder. Akım geçerse evet geçmez ise hayır. Görüldüğü gibi akımın geçmesi veya durdurulması bir yapay zekâya, yani bir işlemciye, karşı gelmektedir. Makine kimse karışmadan kendi kendine, evet/hayır ve ve/veya demektedir. Bilgisayarların karar mekanizması işlemciler, evet/hayır ve/veya diyerek, tasarlanan algoritmaya göre bir işlemi tamamlarlar.

20’inci yüzyılda en önemli teknolojik gelişmeler transistörler kullanılarak yapılmıştır. Transistör, elektrik akımını tek yönde geçiren düzeneklerdir. 1950’liöyıllarda aynı işi diyot lambalar yapardı. Transistörler keşfedilince lambaların yerlerini aldılar, bu keşifle elektronik devrimi başladı. Bir elektrik devresine aritmetik olarak, transistör akımı durduruyorsa sıfıra (0), geçiriyorsa bire (1) tekabül ettirilir. Bunların her biri dijital bit, aynı anda (0) ve (1) değerlerini almak ise Kubit olarak tanımlanır. İki transistör de devreye akımı ters yönde bağlanırsa bu devre sıfıra, biri ters biti aynı yönde bağlanmışsa o devre 1 sayısına tekabül eder. İkisi akımı geçirmeyen biri geçiren üç transistörün bağlı olduğu devre de 2 sayısına tekabül eder. Üç transistörden ikisi geçirip biri geçirmez ise makine üç sayısı ifade eder. Böylece tüm sayılar makine bilgisayar tarafından tanınır. Burada anlatmak istediğimiz matematik ile bilgisayarın donanımını oluşturan fizik arasındaki ilişkidir. Bilgisayar devresindeki transistör sayısı, yarı iletken teknolojideki gelişmeler ile doğru orantılı olarak artmıştır. Bir yonga içinde çok sayıda transistör olan bir devre elemanıdır. Bilgisayarların belleği yongalardan üretilir.

Şimdi bilgi ile matematik ve transistörler arasındaki basit ilişki anlatılacaktır.   Dijital bit bir bilgi birimidir. Küçük olduğundan sekiz katı yani sekiz bit bir bayt olarak tanımlanmıştır.  Bilgisayar terminolojisinde kullanılan Megabayt (MB) veya Kilobayt(KB) nin dayandığı matematik ve bu matematiğe göre tasarlanan donanım, yani bilgisayarın dayandığı fizik arasındaki bağıntılar bunlardır. Bir bayt’ın ne anlama geldiğini anlamak için önce ikili aritmetik sistemin ne olduğunu anlamak gerekir. Transistörler her türlü bilgisayar donanımının temel yapı taşlarıdır. İlk bilgisayarlarda diyot lambaları kullanılmıştır. Bu gün bir cep telefonuna sığdırılan belleğin çok küçük bir kısmı odalar büyüklüğünde bilgisayarlara sığdırılamazdı.

Bunu takip eden makalemizde kuantum bit veya Kubit nedir anlatmaya çalışacağız. Ä°kili aritmetik sistem ile transistör ve donanım arasındaki iliÅŸkiyi anlamadan kuantum Kubit anlamak mümkün deÄŸildir. Bu nedenle iÅŸe en klasik bit ve bayt ne anlama gelirden baÅŸladık. Amacımız bilgisayar dersi vermek deÄŸil, zaten bilgisayar donanım bilgim inanılmaz derecede eksiktir, sadece sitemin dayandığı fizik ve matematiÄŸi, yani teknolojik mantığı, basite indirgeyerek anlatmaktırÂ