Kuantum Bilgisayarlar ve Kübitler

Günlük hayattan aşina olduğumuz bilgisayarlar bir insanın yıllarca uğraşsa bile bitiremeyeceği işleri saniyeler içerisinde gerçekleştirebiliyor. Ancak çalışma ilkeleri klasik fizikle açıklanan bu bilgisayarların kapasiteleri sınırlı. Modern bilimle ilgili pek çok sorunun çözümü klasik bilgisayarların kapasitesini aşıyor.

Yıllardır kuantum bilgisayarlar (çalışma ilkeleri kuantum mekaniğiyle açıklanan bilgisayarlar) geliştirmek için çalışmalar yapılıyor. Günümüzde gelinen noktada kuantum bilgisayarların hâlâ emekleme evresinde olduğu söylenebilir. İki basamaklı sayıları çarpanlarına ayırmak gibi bir insanın da çok kısa süre içinde yapabileceği basit işlemleri ancak yapabiliyorlar. Fakat, gelecekte belirli işlemleri klasik bilgisayarlardan çok daha hızlı yapabilen kuantum bilgisayarların geliştirilebileceği düşünülüyor. Kuantum bilgisayarlar için özel olarak tasarlanmış algoritmalar bile var.

Klasik bilgisayarlar ile kuantum bilgisayarlar arasındaki temel fark, bilginin kodlandığı ve işlendiği birimlerin çalışma biçimleridir. Klasik bilgisayarlarda bilginin kodlandığı birimler bit olarak adlandırılır. Hem bitlerin yapısı ve davranışları hem de bitler üzerinde yapılan işlemler klasik fizikle açıklanır. Kuantum bilgisayarlarda bilginin kodlandığı birimlerse kübit olarak adlandırılır. Hem kübitlerin yapısı ve davranışları hem de kübitler üzerinde yapılan işlemler kuantum fiziğiyle açıklanır.

IBM Q kuantum bilgisayarı

Bir bitin alabileceği iki değer vardır: 0 ve 1. Dolayısıyla klasik bilgisayarlarda tüm bilgiler 0’lar ve 1’lerle kodlanır. Örneğin tam sayıları ele alalım. Eğer bilgisayar sadece üç bitle işlem yapıyorsa, bu bitlerin alabileceği sekiz ayrı değer vardır: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Dolayısıyla üç bitle ancak 0’dan 7’ye kadar olan tam sayılar kodlanabilir. 0’dan 7’ye kadar olan sayıların iki tabanlı gösterimiyle üç bitin alabileceği sekiz ayrı değer arasında birebir ilişki vardır. Örneğin 3 ve 6 sayıları iki tabanında sırasıyla 11 ve 110 olarak yazılır. Dolayısıyla 011, 3 sayısını; 110 da 6 sayısını kodlamak için kullanılabilir.

Bir biti sayının işaretini göstermek için kullanarak -örneğin 0’ı pozitif işareti, 1’i de negatif işareti göstermek için kullanarak- negatif sayılar da benzer biçimde kodlanabilir. Harfler, diğer semboller ve renkler de 0’lar ve 1’lerle kodlanır. Ancak kodlama yöntemi tam sayılarınkine göre biraz daha karmaşıktır. Günlük hayatta kullandığımız veri depolama aletleri sadece birkaç değil milyarlarca biti hafızasına kaydedebilir. Örneğin 1 terabaytlık (1 bayt=8 bit) bir harici disk, 8x10¹² biti hafızasında saklayabilir.

Kübitlerin bitlerden temel farkı sadece 0 ve 1 değerlerine karşılık gelen durumlarda değil, bu durumların sonsuz farklı lineer kombinasyonunda da bulunabilmeleridir. 0’a ve 1’e karşılık gelen durumları |0> ve |1> ile gösterirsek, bir kübitin durumu genel olarak, a ve b iki karmaşık sayı olmak üzere, a|0>+b|1> olarak ifade edilir. a’nın ve b’nin sağlaması gereken tek koşul |a|²+|b|²=1’dir. Kübit, a=1 ve b=0 olduğunda |0> durumunda, a=0 ve b=1 olduğunda |1> durumundadır. Ancak a’nın ve b’nin sahip olabileceği sonsuz başka değerlere karşılık gelen sonsuz farklı durum daha vardır. Kuantum bilgisayarların belirli görevleri klasik bilgisayarlardan çok daha verimli bir biçimde yapabilmesini sağlayacak şey de kübitlerin bu özelliğidir. Örneğin 10 kübitin durumunu bir klasik bilgisayarın hafızasına kaydetmek için 2¹⁰=1024 tane karmaşık sayının bitlerde kodlanması gerekir.

Kübitler ve kuantum bilgisayarlar üzerine bugün de yoğun araştırmalar yapılıyor. Şu an için kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarlardan daha verimli bir biçimde çalışmasının önündeki en önemli engel, çok sayıda kübit içeren bir kuantum bilgisayar üretmenin zorluğu. Çok basamaklı sayıları çarpanlarına ayırmak gibi klasik bilgisayarların zorlandığı işlemleri kolayca yapabilecek bir kuantum bilgisayarın milyonlarca kübit üzerinde işlem yapabilmesi gerekiyor. Günümüzdeki en gelişmiş kuantum bilgisayarlarıysa 20 civarında kübit içeriyor. Dolayısıyla kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarlardan daha iyi performans gösterecek seviyeye gelebilmesi için hâlâ zamana ihtiyaç var.