Kuantum Bilgisayarları

Mars ve Dünya arasındaki mesafe yaklaşık on ışık dakikasıdır. Yani eğer insanlık Mars’ta koloni kurarsa oradan gönderilen bir mesaj Dünya’ya en az on dakikada ulaşır. Daha uzak mesafeden gönderilen bir mesajın Dünya’ya ulaşması için gerekecek süre en son Passengers filminde gördüğümüz gibi ciddi sorunlara sebep olabilir. Gelişen Kuantum teknolojisi, bu tarz sorunlara çözüm getirebilmesiyle geleceğin teknolojisi olmaya adaydır.

Günümüzde geliştirilen kuantum bilgisayarları bu teknolojinin ilk adımlarıdır. Çok karışık ve anlaşılması zor cihazlar olsalar da temel çalışma prensipleri herkesin anlayabileceği kadar basittir. Ancak kuantum bilgisayarlarını anlamak için önce standart bilgisayarlardaki bit yapısını iyice kavramak gerekir. Şimdi bilgisayar bilimi ve kuantum fiziğinin kesiştiği muhteşem dünyaya dalmak için hazırsanız başlayalım.

Bir program yazıyorsanız her şeyi sayılarla belirtmeniz gerekir. Örneğin bir oyun yapılırken karakterin bir yerden başka bir yere gitmesi, bulunduğu ve gittiği yerin koordinatlarıyla belirtilir. Yani sayıları bazı birimlerde tutmanız gerekir. Bu birimleri içinde sayılar bulunan kutucuklar olarak hayal edebilirsiniz. Bu kutucuklar tam sayı (int), kesirli sayı (float), büyük tam sayı (long int) veya büyük kesirli sayı (double) gibi farklı boyutlarda veri tiplerini tutabilir. Veri tiplerinin boyutları byte’larla ifade edilir. Normal tam ve kesirli sayılar 4 byte, büyükleri ise 8 byte’tır.

Eğer tek bir sayı değil de bir grup sayı tutmanız gerekiyorsa onları dizide tutarsınız. Diziyi yan yana kutucuklar olarak düşünebilirsiniz . Hafıza da aşağıdaki gibi yan yana sonsuz sayıda kutucuk olarak kabul edilir.

Peki ya bir tablo tutmanız gerekirse? Örneğin bir grup karakterden birlikte çalışabilenlerin listesini tutmak istiyorsunuz. Aşağıdaki gibi bir tablo yapıp karakterlerin kesişim noktalarını işaretleyebilirsiniz. 1’ler beraber çalışabilenleri, 0’lar çalışamayanları gösteriyor. Aşağıdaki listede 2 ile 3, 4 ile 6, 5 ile 7 ve diğer kesişenler beraber çalışabiliyor.

Bu veri yapısına matris veya 2 boyutlu dizi adı verilir. Ancak hafıza 2 boyutlu olmadığı için matrisler aslında birer diziler dizisidir ve alt alta sıralanmış dizilerden oluşur. Tıpkı 2 boyutlu diziler gibi 3, 4 hatta daha çok boyutlu diziler tanımlanabilir.

Özetle hafızada her şey bu kutucuklarda tutulur. Bu kutucuklar daha küçük kutucuklar diyebileceğimiz bytelardan, bytelar ise bitlerden oluşur. Bir byte 8 bittir. Yani 4 bytelık bir tam sayı kutucuğu 32 bitten oluşur. Bitler yalnızca 0 ve 1 değerlerini tutabilir. Bu yüzden tüm sayılar hafızada ikilik tabandadır. Bir tam sayı kutucuğu -4294967295’ten +4294967295’e kadar olan sayıları tutar. Bu sayı 2³²‘nin 1 eksiğidir ve ikilik tabanda yan yana 31 tane 1 olarak yazılır. 32 bitimiz varken 31 tanesini kullanabilmemizin sebebi sonuncu bitin işaret biti olmasıdır. 32. bit 0 ise sayımız pozitif, 1 ise negatiftir.

Buradan hafızanın tamamen bitlerden oluştuğunu anlıyoruz. Biz hafızanın sonsuz olduğunu varsaysak da elbette hafızanın da bir sınırı vardır. Satrançtaki tüm hamleleri hesaplayabilecek bir programın basitçe yazılabilmesine rağmen bilgisayarların bu programı çalıştıramayacak olmasının sebebi budur. İşte kuantum bilgisayarları burada devreye girer. Kuantum bilgisayarlarında bit yerine qubit vardır. Qubitler kuantum süperpozisyonu ile iki durumda birden bulunabilirler. Bu yüzden sadece 0 veya sadece 1 tutmaları gerekmez. Böylece bir çift qubit 4, 3 qubit 8, n qubit 2ⁿ durumda olabilir. Bu hem hafızadan hem de zamandan tasarruf sağlar.

Qubit olarak elektronlar kullanılır. Elektronların bitlerdeki gibi iki durumu vardır. Bu durumlar aşağı ve yukarı dönük olmaktır. Elektronun aşağı dönük olması 0, yukarı dönük olması 1 tuttuğu anlamına gelir. Aynı anda hem aşağı hem yukarı dönük olabilmeleri (süperpozisyon) sayesinde kuantum bilgisayarları aynı anda birden çok işlemi gerçekleştirebilir.

Tüm avantajlarına rağmen şimdilik kuantum bilgisayarlarının kullanım alanları oldukça sınırlıdır. Her şeyden önce çalışabilmeleri için gereken koşulların kişisel kullanımda sağlanması imkansızdır, yalnızca laboratuvar ortamında çalışabilirler. Ayrıca klasik algoritmalarda adımların sırayla gerçekleşmesi gerektiğinden belirgin bir hız artışı sağlayamazlar. Bunun yerine paralel işlemler gerektiren ve zaman karmaşıklığı üslü sayılarla ifade edilen özel algoritmalarla çok yüksek hız artışı sağlarlar.

Bu yüzden bazı bilim insanları kuantum bilgisayarlarının standart bilgisayarların yerini alamayacağını savunuyor. Ancak bir zamanlar oda boyutunda olan bilgisayarları şu anda cebimizde taşıyabildiğimizin farkında olan kimi bilim insanları da kuantum bilgisayarlarını evlerimizde kullanmaya başlayacağımız günü bekliyor.

Son olarak, kuantum bilgisayarları kuantum teknolojisinin henüz ilk adımı. Kuantum dolaşıklığı kullanılarak ışık hızından hızlı bilgi aktarımının mümkün olabileceği düşünülüyor ve bu konuda araştırmalar yapılıyor. Bu yöntem aradaki mesafe ne olursa olsun farklı gezegenler arasında bile iletişim kurulmasını sağlayabilir.