Kuantum Bilgisayarlar: Sessizce Yaklaşan Devrim [Bölüm 1]

Dördüncü Teknoloji Çağı
Kuantum bilgisayarlara neden ihtiyaç duyuyoruz?
Dezavantajı avantaja dönüştürmek
Yorumlar

“1922 yılında batı dünyası bir kültür devrimin eşiğinde… James Joyce, Ulysses isimli romanını yayınladı. Stravinsky zirvede ve Chaplin ilk ciddi filmini tamamladı. Osmanlı İmparatorluğu çöktü. Avrupa, sonuncusu olması beklenen ve milyonlarca insanın hayatını kaybetmesine neden olan bir savaşın yaralarını sarıyor. Rusya’ya komünizm geliyor. Bu arada Amerika caz müziği tüm dünyaya ihraç ediyor. Sanat, siyaset, edebiyat, ekonomi; her şey doyumsuz bir değişim iştahı yansıtıyor ve modernizm doğuyor.

Bunu söylersem başım belaya girebilir ama o dönemde fizikte yaşanan ayaklanma, diğerlerinin tümünü gölgede bıraktı ve daha kalıcı sonuçlar doğurdu gibi görünüyor.“

Jim Al-Khalili

Irak asıllı İngiliz Profesör Al-Kahlili’nin tüm yalınlığı ile ifade ettiği 1920’lerdeki değişimi günümüzde farklı gelişmeler ile tekrar yaşıyoruz. Soğuk savaş ve çift kutuplu dünya düzeni sona erdi. Sanayi toplumu yerini bilişim toplumuna bırakıyor. Son 30 yılda iletişimde büyük bir devrim yaşadık. Artık dünyanın herhangi bir bölgesinde istediğimiz kişiyle anında görüntülü görüşme gerçekleştirebiliyoruz. Dijital yaşam tam anlamıyla hayatlarımızın her noktasında yerini aldı. Elektronik türler müzik piyasasına hâkim olmaya başladı. Televizyon ve gazeteler yerlerini bilgisayarlara ve internet yayıncılığına bırakıyor. Uzun bir aranın ardından elektrikli otomobillerle yeniden tanıştık. Hubble ile evrenin uçsuz bucaksız gizeminin bir bölümünü tüm çıplaklığıyla gözlemledik. İnsan DNA’sının haritasını çıkardık. Mars’a şehir kurmayı planlıyoruz. Görelilik kuramını deneysel olarak kanıtladık.

Tüm bu değişimin içinde, kuantum bilgisayarlar yaşam tarzımızı ve dünya sistemini kökünden değiştirmek üzere sessiz sedasız hayatlarımıza girme peşinde. 1980’li yıllarda tamamen işlemci mimarisinin kuantum mekaniği ile yaşadığı sorunlardan ve yüksek hesaplama ihtiyacından doğan kuantum hesaplama fikri günümüzde Google ve bankacılık sektörü gibi sistemin sağlam kalelerini birer birer değiştirmeye hazırlanıyor.

Dördüncü Teknoloji Çağı

Yakın çağa ait teknoloji devrimini dört nesil ile özetleyebiliyoruz. Endüstri devriminin yaşanmasını ve Britanya İmparatorluğu’nun dünyada baskın otorite olmasını sağlayan, buhar gücünü ve termodinamik ilkeleri titizlikle kullanan buharlı makineler teknoloji devriminin ilk basamağını oluşturuyor. Teknoloji devriminin ikinci basamağında elektrik çağı yer alıyor. Benzer şekilde elektrik devrimi de ampul, trafolar, elektrik şebekeleri, elektrik motorları, elektrikli otomobiller gibi kendi araçlarını üretiyor. Teknoloji devriminde üçüncü basamakta işlemcilerin temel birimi olan transistörler ve elektronik devreler hayatımıza giriyor. Kendinden önceki kuşaklardan farklı olarak teknoloji hiç olmadığı kadar bireyselleşiyor ve son kullanıcıya ulaşıyor. Cep telefonları, bilgisayarlar, internet ve sayılamayacak kadar çok araç günlük kullanımda kendine yer etmeye başlıyor. İnsanoğlu “Yüksek Teknoloji” kavramını bu dönemde oluşturuyor ve dijital devrim başlıyor. Bahsettiğimiz üç neslin kendi dönemlerine ait hâkim araçları, kendinden sonraki dönemlerde de varlıklarını sürdürmekle birlikte süreç içerisinde baskın pozisyonlarını kaybediyorlar.

Bilim insanları bir sonraki dalganın yapay zekâ, biyoteknoloji ve nanoteknoloji olduğunu, kuantum bilgisayarların ise bu devrimin en önemli icadı olacağını öngörüyorlar. 21. yüzyılın tüm devrimsel gelişmelerine kuantum bilgisayarların bir şekilde katkısı olacağına kesin gözüyle bakılıyor.

Kuantum bilgisayarlara neden ihtiyaç duyuyoruz?

Kuantum bilgisayarların fikren doğuşu çok daha eskilere dayansa da, ciddi olarak tartışma konusu olması, üçüncü teknoloji çağı olan silikon tabanlı işlemcilerin ortaya çıkardığı yeni sorunların tamamen belirginleşmesiyle başlıyor. Bu sorunların temelinde Moore Yasası’nın günümüzde işlerliğini kaybetmesi yer alıyor. İsmi Moore Yasası olarak kalsa da, aslında İntel’in kurucularından olan Gordon Moore’nin bir öngörüsünden ibaret olan bu fikir, günümüze kadar geçerliliğini sürdürdü. Moore 1965 yılında Electronics Magazine’de yayınlanan makalesinde işlemci üzerindeki bileşen sayısının her 18 ayda bir, iki katına çıkacağını; işlemci üretim maliyetlerinin ise aynı kalacağını veya düşeceğini ve bu gelişmelerin doğrultusunda bilgisayar işlem kapasitelerinde büyük artışlar yaşanacağını öngörmüştü. Bu öngörü büyük oranda günümüze kadar gerçekleşti fakat transistör boyutundaki bu değişimin sonsuza kadar sürmeyeceği bilinen bir gerçekti ve teknoloji dünyası son 30 yılda bu gerçekle yüzleşmeye başladı.

Bilimsel atılımlar genellikle uygun bir ortam ve yeni araçlar ile gerçekleşiyor. İşlemcilerdeki hesaplama kapasiteleri Moore’nin öngörüleri doğrultusunda her ne kadar artıyor olsa da, bilimsel gelişmelerin ihtiyaç duyduğu hesaplama miktarının oldukça gerisinde kaldı. Bugün ise bilimsel gelişmelerin ihtiyaç duyduğu yüksek hesaplamaları süper bilgisayarlar dahi karşılayamamaktadır. Özellikle simülasyon tabanlı araştırmalarda bu yetersiz işlem gücü kendisini hissettirmekte, bilimsel gelişimin hızında büyük yavaşlamalara sebep olmaktadır.

Klasik bilgisayarların, işlem kapasiteleri dışında da bazı yetersizlikleri göze çarpmaktadır. Bunların belki de en önemlisi bu bilgisayarların altında yatan matematiksel mantık ve yaklaşımın doğayı yeterince başarılı bir şekilde taklit edememesidir. Buna örnek olarak moleküllerin ve reaksiyonların kimyasal özelliklerini hesaplamaya çalışan bilgisayarların deneysel sonuçlar ile benzer veriler üretemediğini gösterebiliriz. Bu durum bilim insanlarının yeni bilgisayarlara bakış açısını tamamen değiştirmiş; problemi bir kapasite ve yetersizlik durumu olarak görmekten ziyade doğanın işleyişine benzeme durumu tanımlamalarına yol açmıştır. Bu açıdan baktığımızda beklentilerimizi, “daha hızlı işlemci”, “daha büyük bellek” gibi ifadelerle sınırlandırmak sığ bir vizyon geliştirmemize sebep olacaktır.

Dezavantajı avantaja dönüştürmek

Klasik bilgisayarlardaki bir diğer problem ise işlemci mimarisinin nanometre seviyelerine inmesiyle birlikte kuantum mekaniğinin işlemcilerin çalışmasında etkinliğini artırmasıdır. Gündelik hayatımızda kuantum mekaniğini, atomların oluşturduğu rasgele hareketler yüzünden gözlemleyemeyiz. Fakat aşırı soğuk ortamlar ve küçük boyutlar gibi ekstrem durumlarda kuantum mekaniksel ilkeler maddelerin davranışında kendini göstermeye başlar. Friedrich Hund’un 1927 yılında keşfettiği kuantum tünelleme, Werner Heisenberg’in belirsizlik ilkesi ve ölçme problemleri, işlemci mimarisinin ve üretim teknolojisinin artık doğrudan yaşadığı problemlerdir. Bir transistörün devre elemanlarını az sayıda atomun oluşturduğu bir boyutta kuantum mekaniksel fenomenler işleyişe mutlaka etki edeceklerdir. Günümüzde işlemci mimarilerinin gecikmesinin ve üretim verimliliklerinin zorlaşmasının temelinde yatan sebeplerden biri de kuantum mekaniksel problemlerdir. Bilim insanları klasik işlemcilerdeki bu dezavantajları kuantum bilgisayarlar ile avantaja dönüştürmeyi hedeflemektedirler. Bu yüzden kuantum bilgisayarlar olabildiğince aşırı koşullarda çalışması üzerine tasarlanmışlardır.

Kuantum bilgisayarlar bu ihtiyaçlar doğrultusunda ortaya çıkmakla birlikte günümüz dijital dünyasını derinden etkileyecek bazı değişimleri de beraberinde getirmekteler. Yazı dizimizin ilerleyen bölümlerinde ayrıntılı olarak değineceğimiz bu sürpriz değişimlerin en çarpıcı olanlarından bir tanesini ünlü teorik fizikçi Sean Caroll, katıldığı Joe Rogan’a ait podcast yayınında, MIT’te görev yapan kuantum fizikçi Seth Lloyd ile Google’nin kurucuları Sergey Brin ve Larry Page arasındaki sohbeti dile getirdi:

“Arkadaşım Seth Lloyd ile Google kurucuları arasında şöyle bir sohbet geçti:

Seth: Bir kullanıcı kuantum bilgisayar ile bir Google araması gerçekleştirdiğinde istedikleri sonuçlara ulaşır ve teorik olarak neyle ilgili arama yaptığını ve hangi sonuçlara ulaştığını bir başkasının öğrenmesi imkânsızdır.

Bu cümleden bir gün sonra Google Biraderler tekrar gelirler ve “Biz kuantum bilgisayarların bizim iş modelimize ters olduğunun farkına vardık” derler.

Bunun üzerine ortamda gülüşmeler yaşanır.”

Bu yazı dizisinin ilerleyen bölümlerinde, ilk aşamada bilgi teknolojisinin tarihsel serüvenini ve kuantum bilgisayarların bilgi teknolojisinde neyi değiştirdiğini, kuantum bilgisayarların doğasını ve yapısını, kuantum bilgisayarların temelindeki kuantum mekaniksel ilkeleri ayrıntısı ile işleyeceğiz. Devamında kuantum kodlama, kuantum kapıları ve algoritmalarına değinecek, IBM’in kuantum bilgisayarlarında örnek uygulamalar gerçekleştireceğiz. Son olarak kuantum bilgisayarların kullanım alanları ve yan teknolojilere ait bilgiler sunacak, gelecekte kuantum bilgisayarların hayatımızda nasıl bir yer edeceğini tahmin etmeye çalışacağız.