KUANTUM BİLGİSAYARLARI

 Kuantum bilgisayarları kuantum mekaniği yasalarına göre çalışan bilgisayarlardır. Kuantum bilgisayarları ilk olarak fizikçilerin atomların küçük birer hesap makinesi olduğunu fark etmesiyle ortaya çıkmıştır ve bu atomların bir dönme yönü vardır. Bu yön spin olarak adlandırılır. Spin yönü yukarı ve ya aşağı yönde olabilir. Örneğin bilgisayarlarda bilgilerin 1 ve 0 lardan oluşan dizilerde gösterilmesi gibi atomun da yukarıya doğru olan spinine 1, aşağıya doğru olan spinine 0 diyebiliriz.

 Bilim adamları ilk kuantum devrelerini üretmek için sıradan bir silikon devreyle işe başladılar. Silikon çipin üzerinde ki bir fosfor atomunu kullanarak atomun etrafında dönen bir elektronun spin değerini değiştirdiler. Böylece elektronların spin değeri kuantum bilgisayarlara veri kaydetmekte kullanıldı. Elektronlar aynı zamanda manyetik alanlar üretiyor ve elektronların manyetik alanları elektronların çevresinde  manyetik alan çizgileri meydana getiriyor. Elektronlar sağdan sola hareket ettikçe manyetik alan çizgileri güneyden kuzeye doğru bir hareket gösteriyor (spin yukarı). Soldan sağa doğru hareket ettikçede manyetik alan çizgileri kuzeyden güneye bir hareket gösteriminde bulunuyor (spin aşağı).

“Heisenberg’in Belirsizlik İlkesine göre bir elektronun konumunu ve hızını aynı anda yüzde 100 kesinlikle bilmek imkansızdır. Kuantum bilgisayar geliştiren bilim adamları da bu yüzden doğrudan elektronlara bakarak yazı yazamazlar. Çünkü bir elektrona baktıklarında, o elektron gözlemciyle etkileşime girerek spin durumunu değiştirir. Harflerin sürekli değiştiği bir alfabede yazı yazmak imkansızdır. Kuantum bilgisayar geliştiren bilim adamlarının elektronlara yazı yazmadan önce bu güçlüğü aşması gerekiyordu. Bunun için yazı yazacakları elektronun spin durumunu önceden bilmek zorundaydılar. Bilim adamları başlangıç olarak spin yukarı durumundaki bir elektronu seçmeye karar verdiler. Bu elektronu spin aşağı duruma geçirerek yazı yazacaklardı.Araştırmacılar bunun için yalnızca spin yukarı durumdaki elektronlarla çalışan bir transistor yaptılar. Bu transistor sadece yukarı yönelimli manyetik alan üreten elektronlara duyarlıydı. Böylece spin yukarı duruma sahip elektronları seçmek ve bu elektronları spin aşağı duruma geçirerek yazı yazmak mümkün oldu. Spin aşağı duruma geçen elektron okunduğu zaman, spin yukarı duruma geri dönerek tekrar yazılmaya hazır hale geliyordu.” [1]

 Klasik bilgisayarlar en küçük bilgi saklama ve işleme birimi olan bit’lerden oluşurlar ve bu birimler “0″ ve “1″ hallerinden sadece birinde olabilirler. Kuantum bilgisayarları ise kübit(qubit) lerden oluşmuştur.  Kübitler, klasik bilgisayar sistemlerindeki 0 ve 1 hallerine sahip olabildikleri gibi (klasik bilgisayarlarda bir veri biti 0 ya da 1 olarak kaydediliyor) 0 ve 1 arasındaki sınırsız başka halleri de barındırırabilirler ve bunlar, çakışma (superposition) halleri olarak adlandırılmaktadır. Bu ara haller sayesinde bir kübit, klasik bir bit’e oranla çok daha fazla bilgiyi aynı büyüklükteki fiziksel bir alana sığdırmamızı sağlar.

 “Kuantum fiziğinde elektronlar yapısal olarak birbirinin aynıdır yalnızca kuantum sayıları farklıdır ve hiçbir parçacıkla etkileşime girmeyen bir elektron, aynı anda hem spin yukarı hem de spin aşağı durumunda bulunacaktır. Bu yüzden kuantum bilgisayarlarda kübitler aynı anda hem 1 hem de 0 değerini alabilir.”[2]

 Kuantum Teknolojisi, yeni olan hesaplama yöntemlerini destekler ve yeni algoritmalar yazabilmemize olanak sağlar.

 Kuantum bilgisayarları ile klasik bilgisayarlar arasında ki farklılıklar şu şekilde yazılabilir.

 Klasik bilgisayarlar en küçük bilgi saklama ve işleme birimi olan bit’ lerden oluşurlar ve  0 ve 1 ile simgelediğimiz hallerden sadece birinde olabilirler. Kuantum bilgisayarları ise kübit’ lerden oluşur ve 0 ve 1 hallerine sahip olabilmekle beraber 0 ve 1 arasındaki sınırsız başka halleri de barındırırlar.

 Klasik bilgisayarlar ikili mantığa göre çalışırlar.  VE / VEYA kapısı gibi mantık kapıları kullanıldığında girdi olarak iki bit alınır ve çıktı olarak sadece bir bit elde edilir. Kuantum mantık kapıları ise girdi olarak bir yada daha fazla kübit alır ve çıktı olarak bir ya da daha fazla kübit üretirler.

 Klasik bilgisayarlarda istediğimiz zaman bilgisayardaki bitlerin hangi durumda olduğunu öğrenebiliriz. Ama,  kuantum bilgisayarlarında hangi durumda olduğunu bilmek imkansızdır. Kuantum bilgisayarını oluşturan kübitlerde hangi çakışma halinin saklı tutulduğunu tam olarak belirleyemeyiz sadece kısmi bir bilgiye sahip olabiliriz.  

 Kübitler üst üste binebilme özelliğine sahiptirler. Bu özellik sayesinde kuantum bilgisayarları oldukça ileri bir paralel işlem kapasitesine sahip oluyorlar. Yani bu paralellik  kuantum bilgisayarların bir milyon işlemi aynı anda yapmasına olanak tanıyor. Örneğin 8 kübitlik bir kuantum bilgisayarı 0’dan 256 ya kadar olan değerleri aynı anda alabilir ve 256 farklı hesaplama işlemi üzerinde çalışabilir.

 Kuantum bilgisayar klasik bilgisayarlara göre kat kat daha hızlıdır. Örneğin 300 basamaklı bir sayının faktörize işlemini kuantum bilgisayarı dakikalar içinde yapabiliyor klasik bilgisayarlarda ise yıllar sürebiliyor.

 İlk kuantum bilgisayarını 18 Nisan 1998 yılında IBM’den Isaac Chuang ve MIT’den Neil Gershenfeld oluşturmuştur. 2 kübitten oluşan bu bilgisayar bazı algoritmaların sunumunu başarılı bir şekilde gerçekleştirmiştir. 

 “Chuang ve Gershenfeld karbon ve hidrojen atomlarından oluşan sıvı kloroformla doldurdukları bir test tüpünü, kontrollü manyetik atmalar yayan bir manyetik bobinle zayıflattılar. Kloroform’daki atomlar doğa tarafından öngörülen örüntüye uygun olacak biçimde, spinleriyle dans ettiler. Bu aşamadan sonra, beyin taramaları için kullanılan NMR makinesini devreye soktular. NMR, dans etmekte olan atomlardan bazılarını dürterek, diğer atomların spinlerini etkilediler. Böylece karbon atomlarının spinleri, üzerlerine doğrudan bir temas olmaksızın, kuantum bilgisayar görevini yapacak şekilde programlanmış oldu.”[3]

 1999 yılında Chuang ve Gershenfeld 3 kübitlik kuantum bilgisayarını yaptılar. 15 Ağustos 2000 yılında ise NMR tabanlı 5 kübitlik bilgisayarı yapmayı başardılar. 19 Aralık 2001 yılında Chuang’ın ekibi 5 florin atomu ve 2 karbon atomundan oluşturulan 7 kubitlik kuantum bilgisayarını geliştirmeyi başarmıştır.

 Kuantum bilgisayarlarının gelişim aşaması her geçen gün biraz daha hızlanmaktadır. Şimdiye kadar ortaya çıkarılmış tam bir kuantum bilgisayarı olmamıştır ama bunun gelişim süreci devam etmektedir, algoritma yapılandırılması ve hata düzeltimi gibi gerekli olan mekanizmalar oluşturulmuş durumdadır. Kuantum bilgisayarlarının maliyetleri de çok yüksek olduğundan gelişim süreci zaman almaktadır örneğin ilk yapılan 2 kubitlik bilgisayarın maliyeti yaklaşık 1 milyon dolar civarındadır. Ayrıca kuantum bilgisayarları çok güçlü bilgisayarlar olduklarından dolayı şifreleme(kriptoloji) alanında da büyük bir tehtit olarak görülmektedir. Bilgi güvenliği kriptolojiye dayandığından bu alan büyük risk altındadır. Sonuç olarak kuantum bilgisayarlarının gelişimi teknolojik açıdan çok büyük bir adım gibi görünsede bazı olumsuz yönleri de vardır. Bu olumsuz yönlerin çözümü de kuantum bilgisayarlarının gelişim aşamasıyla birer birer ortadan kalkacaktır.