"Kuantum bilgisayar": Klasik bilgisayarlardan farkı ne; avantajları neler, onların yerini alabilir mi?

Diğer Program: 
Açık Gazete

"Kuantum bilgisayar": Klasik bilgisayarlardan farkı ne; avantajları neler, onların yerini alabilir mi?

18 Aralık 2019

Bu makinalar, kendine has ilkeleri olan atom-altı parçacıklar dünyası ile, elle tutulur gözle görülür nesneler (bilgisayarlar) dünyası arasında teknolojik bir köprü kurulabileceğinin etkileyici bir örneği.

17 Aralık 2019 tarihinde Açık Radyo'da yayınlanmıştır.
Açık Bilinç podcast servisi: iTunes / RSS

Kuantum hesaplamasını ve bilgisayar mimarisini anlamak için, kuantum mekaniğinin temel ilkelerini ve makro dünyada karşılaşmadığımız atom-altı parçacıkların davranışlarını anlamak gerek.

Geçen hafta, bütün bunları Prof. Erkcan Özcan bizlere anlatmıştı:  20'inci yüzyılda bilim dünyasında devrim yaratan kuantum mekaniğinin ilkeleri, deneyleri, kuramları

— / —

Kuantum bilgisayarlarının hayatımızda devrim yaratacak nitelikte bir potansiyelleri var. (Bu konuya akışın sonunda yeniden döneceğim.)

Bu potansiyelin kapsamını anlamak için, önce klasik bilgisayarların yalnızca birkaç onyıl içinde geçirdikleri çarpıcı evrim sürecine bakalım. İlk dijital bilgisayarların, hesaplama güçleri çok düşük, yavaş çalışan ama müthiş yer kaplayan ve ısı üreten dev makinalar olduğunu biliyoruz. Örneğin, 1940'larda kullanılmaya başlanan ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) isimli bilgisayar.

Dijital dünyanın mucizevi cihazlarının, örneğin ceplerimizde telefon niyetine taşıdığımız minik bilgisayarların ortaya çıkmasından önce doğmuş olanlar, kişisel bilgisayar dendiğinde, bu aşağıdakilerine benzer nesneleri hatırlayacaktır.

Şu kısa video, masaüstünde kullandığımız kişisel bilgisayarların etkileyici değişimini birkaç saniyede görsel olarak özetliyor.

Inline image

Bilgisayarlar, sürekli artan hafıza kapasiteleri, işlem güç ve hızları, ve buna rağmen düşen maliyetleriyle, her geçen gün yenilenerek karşımıza çıkıyorlar.

Bu teknolojik evrimin dünya tarihinde eşi benzeri yok.

Peki bu sürecin limitleri ne? Sonuna yaklaşıyor olabilir miyiz?

Not. Bilgisayarlara Türkçede bir zamanlar "elektronik beyin" deniyordu. İngilizcede "computer" (hesaplayıcı) sözcüğü de eski zamanlarda "hesap yapan / muhasebeci" gibi kişiler için kullanılırmış. Örnek: 1892 New York Times'dan bir iş ilanı. (Maaşı da fena değil!)

— / —

Bilgisayarların hesaplama güçlerinin hangi hızla artacağı ve maliyetlerin nasıl bir seyir izleyeceği, en başta işlemci üreten şirketlerin ilgisini çekmiş.

ArGe planlamaları için, istatistiksel bir öngörü formüle etmeye çalışmışlar ve bugüne dek hayli başarılı olmuş durumdalar.

Intel şirketinin eski başkanı Gordon Moore'un adıyla anılan "yasa"ya göre, entegre devrelerin içine sığdırılabilen transistor sayısı yaklaşık her iki senede bir 2 katına çıkıyor.

Transistor sayısının, 1970'li yıllarda binlerle ölçülürken, bugün 50 milyarı aşmış durumda olduğunu görüyoruz.

Fakat "Moore Yasası"nın ve bu baş döndürücü teknolojik gelişmenin fiziksel sınırları var.

Enerji kullanan ve ısı yayan bilgisayar devreleri, belli bir aşamadan sonra daha küçülemeyecekler. Yani, klasik bilgisayarların evrim sürecinin sonlarına geliyor olabiliriz.

Bilgisayar teknolojisindeki gelişmenin fiziksel sınırları göz önüne alındığında, mimarisi farklı bir yöntemle tasarlanan ve hesaplama gücünü müthiş oranda arttırabilme potansiyeline sahip olan kuantum bilgisayarlarına, IBM ve Google gibi dev şirketlerin yatırım yapması, anlaşılır bir durum.

— / —

Peki, hesaplama kuramı açısından kuantum bilgisayarları nasıl bir mimariye sahip?

Hesaplama gücündeki üstünlükleri nereden geliyor ve hangi alanlarda etkili?

Şimdi biraz bu sorulara bakalım ...

Bilindiği üzere, klasik bilgisayarda silikon tabanlı devreler, iki farklı voltaj seviyesini kullanarak, "0" ve "1" olarak işaretlenen bir "bit" değerinde enformasyona sahip olabiliyorlar.

Tam bu noktada kuantum bilgisayarları "q-bit"ler (kubit) sayesinde can alıcı bir fark yaratıyorlar.

Kuantum dünyasının verileri, atom-altı parçacıkların aynı anda iki farklı yerde veya durumdaymış gibi davrandıklarını gösteriyor.

Yani, bir elektronun kuantum bilgisayarı içindeki yeri hem "0" hem de "1" değerini gösterebilir.

Böylece bir kuantum-bit'i (q-bit) elde etmiş oluruz.

Öyleyse, q-bit'leri kullanarak, artık enformasyon içeriği açısından daha zengin, ve gerek hafıza kapasitesi gerekse işlem gücü açısından daha üstün bir bilgisayar mimarisine sahip oluruz.

Kuantum bilgisayarlarının, geçen hafta kuantum mekaniği üzerine konuştuklarımız ışığında, hesaplama ötesinde de bir önemi var diye düşünüyorum.

Bu makinalar, kendine has ilkeleri olan atom-altı parçacıklar dünyası ile, elle tutulur gözle görülür nesneler (bilgisayarlar) dünyası arasında teknolojik bir köprü kurulabileceğinin etkileyici bir örneği.

— / —

Peki ama kuantum bilgisayarları, klasik bilgisayarlardan her cephede daha üstün mü?

Çözülemeyecek problemleri çözecekler ve bilgisayar biliminin kuramsal bütün sorunlarını ortadan kaldıracaklar mı?

Kuantum bilgisayarlı gelecekten, ne bekleyebiliriz?

Önce, İngiliz matematikçi Alan Turing'in 1930'larda ortaya attığı ve klasik bilgisayarlarım kuramsal temelini oluşturan "Evrensel Turing Makinası" modelinin, bazı kısıtlamaları olmasına karşın, hesaplama kapasitesi çok yüksek bir mimari olduğunu hatırlayalım.

İlgilenenler için, Alan Turing üzerine yapmış olduğumuz 4 programlık seri, Açık Bilinç kayıt arşivinde bulunabilir.

Bu serinin 2. programında yine Prof. Cem Say konuk olmuş ve Turing'in hesaplama kuramlarını ile "Turing Makinası" modelini anlatmıştı.

Diyelim, q-bit'lere dayanan, yani aynı anda birden fazla değer taşıyabilen parçacıklardan oluşan bir Kuantum Turing Makinası inşa ettik ve istikrarlı bir şekilde çalıştırdık.

Bu makina, klasik Turing makinalarının çözemeyeceği problemleri çözebilir mi?

Bu sorunun cevabı, hayır.

Yani, şu anki bilgilerimiz ışığında, "Evrensel Turing Makinaları" evrensellik niteliklerini koruyorlar.

Hesaplama kuramı açısından, klasik bilgisayarların kısıtlamaları, kuantum bilgisayarları için de geçerli.

Ama bu, kuantum bilgisayarlarının bazı alanlarda daha üstün, hatta çok daha üstün olmadığını göstermiyor.

Benzer kuramsal kısıtlamaları olmasına karşın, kimi alanlarda kuantum bilgisayarları klasik bilgisayarlardan hayal gücümüzü zorlayacak derecede daha hızlı.

Faktorizasyon (bir sayıyı çarpanlarına ayırma), büyük veri kümelerinde hızlı arama ve sıralama, ve kriptografi (şifreleme / şifre-çözme) gibi alanlarda kuantum bilgisayarlarının özellikle yıldızının parladığını görüyoruz.

— / —

Aslında q-bit'ler kullanılarak geliştirilecek kuantum bilgisayarlarının, özel algoritmalar eşliğinde büyük performans eşikleri atlayabileceği ihtimali, 1980'lerden itibaren kuantum fizikçilerinin ve bilgisayar bilimcilerinin ilgisini çekmeye başlamıştı.

Fakat kuantum hesaplaması alanındaki en önemli kuramsal gelişmeler, 1990'larda meydana geldi.

Bu alanın iki klasik makalesi Grover (1996) ve Shor (1997), kuantum bilgisayarlarının büyük hızlarda kullanılmasına imkan tanıyacak algoritmaları tarif ediyor.

Kuantum hesaplaması alanında, Prof. Cem Say ve eski öğrencisi Abuzer Yakaryılmaz'ın da, yalnız Türkiye değil dünya çapında öncü çalışmaları var.

İki örnek ekliyorum. Tüm listeye şuradan ulaşabilirsiniz: https://cmpe.boun.edu.tr/~say/

— / —

Şimdi kaseti ileri sararak günümüze kadar gelelim ve kuantum bilgisayarlarının niçin büyük heyecan yarattığına bakalım.

Eylül ayında Google, kendi kuantum bilgisayarlarının performansını, IBM'in "dünyanın en hızlı ticari bilgisayarı" olarak tanıttığı Summit'inkiyle ile kıyasladı.

IBM'in Summit bilgisayarı, klasik mimariye sahip fakat çok güçlü bir süper-bilgisayar.

Buna rağmen, özellikle zor belirli bir hesabı tamamlaması için 10 bin yıl gerekiyor.

Google'ın duyurduğuna göre, onların kuantum bilgisayarının aynı hesabı yapma süresi:

3 dakika!

(Gerçi, IBM şirketi Google’ın bu iddiasını reddederek, Summit’in bu hesaplamayı 2.5 gün içinde yapabileceğini öne sürdü. Fakat yine de arada kayda değer bir fark var.)

— / —

Google, bu performans üstünlüğüne Kuantum Yüceliği ("Quantum Supremacy") ismini layık görmüş.

Konuyla ilgili kolay anlaşılır bir özet, yakın zamanda New York Times gazetesinde yayımlandı: Opinion | Why Google’s Quantum Supremacy Milestone Matters

— / —

"Kuantum Yüceliği"nin her hesaplama alanında kendini göstermediğini, yalnızca büyük veri kümelerinde arama, sıralama, optimizasyon gibi işlemler içeren özel problemlerde ve kuantum bilgisayarları için özel hazırlanmış algoritmalar kullanıldığında böyle çok çarpıcı farkların ortaya çıktığını bir kez daha yineleyeyim.

Peki, günün birinde masaüstü bilgisayarlarımızın yerini kuantum bilgisayarları alır mı?

Kuantum bilgisayarlarını, her seferinde aynı girdiyi aynı sonuçla hesaplayacak tutarlılık ve ticari başarı sağlayacak düşük maliyetle inşa etmek, doğrusu pek bugünün projesi gibi görünmüyor.

Kuantum bilgisayarlarının hesaplama kuramındaki yeri, etkileyici performansı, ve geleceğiyle ilgili bu tür soruları, Yapay Zeka'nın yanı sıra kuantum hesaplama alanında da uzman olan Prof. Cem Say bizim için yanıtlayacak.

— / —

Bu akışı, kuantum bilgisayarları üzerine daha detaylı okumalar yapmak isteyenler için bazı Türkçe kaynaklar ve makaleler ekleyerek bitireyim.

1. Evrim Ağacı sitesinden bir yazı: "Kuantum Bilgisayar Nedir? Geleceğin Bilgisayarları Nasıl Üretiliyor?"

https://evrimagaci.org/kuantum-bilgisayar-nedir-gelecegin-bilgisayarlari-nasil-uretiliyor-4136

2. Kuantum Teknolojileri Türkiye ekibinden, kuantum teknolojileri üzerine bir dizi aydınlatıcı güzel makale:

https://duzensiz.org/tagged/kuantum

3. Fizikçi/matematikçi ve eğitimci Can Gürses'in, Herkese Bilim Teknoloji dergisinde yayımlanmış olan yazısı "Nedir bu kuantum bilgisayar?": https://www.herkesebilimteknoloji.com/yazarhp/nedir-kuantum-bilgisayar

4. Bilim ve Ütopya dergisinden, Prof. Abdullah Verçin’in yazısı, “Yeni bir bilişim çağına doğru: Kuantum teknolojileri ve kuantum mühendislik”: https://bilimveutopya.com.tr/yeni-bir-bilisim-cagina-dogru-kuantum-teknolojileri-ve-kuantum-muhendislik

5. Son olarak, Deutsche Welle Türkçe servisinin hazırlamış olduğu, "Kuantum bilgisayarı nedir?" başlıklı ve Türkçe dublajlı kısa video: Kuantum bilgisayarı nedir? - DW Türkçe

 — / —

Haftaya, bilgisayar teknolojilerinin bir başka öncü alanından söz edeceğiz.

Bilgisayar bilimci, teknoloji uzmanı ve girişimci Alper Yeğin, "IoT" olarak bilinen Nesnelerin Interneti ("Internet of Things") teknolojisi nedir, nasıl doğmuştur, uygulamaları nelerdir, ülkemizde hangi durumdadır gibi soruları ele alacak.

Açık Bilinç'i salı sabahları 9:30'da (http://acikradyo.com.tr/stream) dinleyebilir, podcast arşivine buradan ulaşabilirsiniz.