Kuantum Bilgi İşlem Nedir?

Kuantum mekaniği, parçacıkların davranışını mikroskobik düzeyde çalışan fizik alanıdır. Atom altı düzeyde, parçacıkların davranış şeklini açıklayan denklemler, çevremizdeki makroskobik dünyayı açıklayanlardan farklıdır. Kuantum bilgisayarları, hesaplamaları tamamen yeni bir yoldan gerçekleştirmek için bu davranışlardan yararlanır.

Bir kuantum bilgisayarı, kuantum ilkelerine göre çalışır. Kuantum ilkeleri; süperpozisyon, dolanıklık ve eş fazlılığın kaybolması gibi terimlerin tamamen anlaşılması için yeni terimler sözlüğü gerektirir. Okumaya devam ederek bu ilkeleri anlayabilirsiniz.

Süperpozisyon

Süperpozisyon, klasik fizikteki dalgalar gibi, iki veya daha fazla kuantum durumu ekleyebileceğinizi ve sonucun, başka bir geçerli kuantum durumu olacağını belirtir. Tersi şekilde, her kuantum durumunu, iki veya daha fazla diğer farklı durumun bir toplamı olarak da gösterebilirsiniz. Bu kübitlerin süperpozisyonu, kuantum bilgisayarların yapısında bulunan paralelliği sağlarken bunların milyonlarca işlemi eş zamanlı olarak işlemesine olanak tanır.

Dolanıklık

Kuantum dolanıklığı, iki sistem birbirine ne kadar uzak olursa olsun, birinin hakkındaki bilgilerin size diğeri hakkında anında bilgi sağlayacak kadar yakın şekilde bağlandığında meydana gelir. Kuantum işlemciler, bir parçayı ölçerek diğeri hakkında sonuçlara varabilir. Örneğin, bir kübit yukarı döndüğünde diğerinin her zaman aşağı dönüp dönmeyeceğini ya da tam tersinin olup olmayacağını belirleyebilir. Kuantum dolanıklığı, kuantum bilgisayarlarının karmaşık problemleri daha hızlı çözmesini sağlar.

Bir kuantum durumu ölçüldüğünde dalga işlevi çöker ve durumu sıfır ya da bir olarak ölçersiniz. Bu bilinen veya belirleyici durumda kübit, klasik bir bit gibi hareket eder. Dolanıklık, kübitlerin durumlarını diğer kübitlerle ilişkilendirebilme becerisidir.

Eş fazlılığın kaybolması

Eş fazlılığın kaybolması, bir kübitteki kuantum durumunun kaybolmasıdır. Radyasyon gibi çevresel etkenler, kübitlerin kuantum durumunun çökmesine neden olabilir. Bir kuantum bilgisayarı oluşturmanın mühendislik açısından en zor tarafı, kübitleri harici alanlara karşı koruyan uzman yapılar oluşturma gibi, durumun eş fazlılığının kaybolmasını geciktirmeyi deneyecek çeşitli özellikler tasarlamaktır.

Kimse hata toleranslı bir kuantum bilgisayar oluşturmanın en iyi yolunu göstermedi ve birçok şirket ve araştırma grubu, farklı kübit türlerini araştırmaktadır. Aşağıda, bu kübit teknolojilerinden bazılarının kısa açıklamalarını bulabilirsiniz.

Geçit tabanlı iyon tuzağı işlemcileri

Geçit tabanlı kuantum bilgisayarı, giriş verilerini alıp önceden tanımlanmış üniter bir işleme göre dönüştüren bir cihazdır. Operasyon çoğunlukla kuantum devresiyle temsil edilir ve geleneksel elektronik alanında işlemlere geçit sağlamak için analogdur. Ancak kuantum geçitleri, elektronik geçitlerden tamamen farklıdır.

İyon tuzağı kuantum bilgisayarları, iyon adı verilen yüklü atomların elektronik durumlarını kullanan kübitlerden yararlanır. İyonlar, elektromanyetik alanların yardımıyla hapsedilip mikrofabrike tuzakta asılı tutulur. Tuzağa alınmış iyon tabanlı sistemler, iyonun elektronik durumunu manipüle etmek için lazerleri kullanarak kuantum geçitleri uygular.  Tuzağa alınmış iyon kübitler, kübitleri sentetik olarak üretmek yerine doğadan gelen atomları kullanır.

Geçit tabanlı süper iletken işlemciler

Süper iletkenlik, çok düşük sıcaklıklarda cıva ve helyum gibi belirli materyallerde görebileceğiniz bir dizi fiziksel özelliktir. Bu materyallerde, altına düşüldüğünde elektriksel direncin sıfır olduğu ve manyetik akış alanlarının kaybolduğu karakteristik bir kritik sıcaklık gözlemleyebilirsiniz. Süper iletken bir tel halkasındaki elektrik akımı, hiçbir güç kaynağı olmadan sonsuza kadar kalabilir.

Süper iletken kuantum bilgi işlem, bir kuantum bilgisayarının süper iletken elektronik devrelere uygulanmasıdır. Süper iletken kübitler, kriyojenik sıcaklıklarda çalışan süper iletken elektrik devreleriyle oluşturulur.

Fotonik işlemciler

Kuantum fotonik işlemcisi, bilgi işlem için ışığı manipüle eden bir cihazdır. Fotonik kuantum bilgisayarları, konum veya momentum gibi sürekli bir operatörün modlarına karşılık gelen kübit eş değerleri ile sıkıştırılmış ışık darbeleri yayan kuantum ışık kaynaklarını kullanır.

Nötr atom işlemcileri

Nötr atom kübit teknolojisi, tuzağa alınmış iyon teknolojisine benzer. Ancak kübiti tuzağa alıp o pozisyonda tutmak için elektromanyetik güçler yerine ışığı kullanır. Atomlar yüklenmez ve devreler, oda sıcaklıklarında çalışabilir.

Rydberg atomu işlemcileri

Rydberg atomu, ortalamada çekirdekten daha uzak olan bir veya iki elektrona sahip uyarılmış bir atomdur. Rydberg atomları, elektriksel ve manyetik alanlara aşırı tepki verme ve uzun ömürlülük gibi bazı kendine özgü özelliklere sahiptir. Kübit olarak kullanıldığında bu atomlar, farklı durumları seçerek ayarlayabileceğiniz güçlü ve kontrol edilebilir atomik etkileşimler sunar.

Kuantum tavlayıcılar

Kuantum tavlama, bir kuantum sisteminin kübitlerini minimum mutlak enerjiye yerleştirmek için fiziksel bir işlem kullanır. Donanım, burada sistemin yapılandırmasını, enerji alanının çözülmesi gereken problemi yansıtacağı şekilde hafifçe değiştirir. Kuantum tavlayıcıların avantajı, kübitlerin sayısının, geçit tabanlı bir sistemde bulunan kübitlerden çok daha fazla olabilmesidir. Ancak bunların kullanımı yalnızca belirli durumlarla sınırlıdır.

Kuantum bilgi işlemi denemek istiyorsanız yerel makinenizde kuantum donanım emülatörünü kullanmaya başlayabilirsiniz. Emülatörler, klasik bir bilgisayarda kuantum davranışını taklit eden normal bir yazılımdır. Bunlar tahmin edilebilirdir ve kuantum durumlarını görmenizi sağlar. Kuantum donanımına yatırım yapmadan önce algoritmalarınızı test etmek istiyorsanız kullanışlıdır. Ancak gerçek kuantum davranışını taklit etmezler.

Ayrıca, pahalı donanımlara yatırım yapmadan, gerçek bir kuantum bilgisayarında kodlama yapmak için bulut kuantum bilgi işlem hizmeti de kullanabilirsiniz.