Kuantum Bilgisayarlarına Hazır mıyız?

Şizofren Atom, bir Atom nasıl aynı anda birden çok yerde olabilir ve birden çok şey yapabilir.

Yıl 2041. Küçük bir çocuk, odasındaki bilgisayarın başına oturuyor. Bu sıradan bir bilgisayar değil. Bu bir kuantum bilgisayarı. Çocuk bilgisayara bir komut veriyor… Aynı anda bilgisayar kendi binlerce kopyasına bölünüyor ve her biri problemin farklı bir dalı üzerinde çalışmaya koyuluyor. Yalnızca birkaç saniye sonra, dallar yeniden bir araya geliyor ve bilgisayarın gösterge panelinde tek bir cevap yanıp sönüyor. Dünyadaki bütün bilgisayarlar bir arada çalıştırılsa dahi bu cevabı bulmaları trilyonlarca yıl alırdı. Sonuçtan memnun olan çocuk bilgisayarı kapatıyor ve oyuna geri dönüyor. Bu akşam için ev ödevi bitmiş durumda.

Çocuğun bilgisayarının yapabildiğini aslında hiçbir bilgisayar yapamaz, değil mi? Bir bilgisayarın bunu yapabileceği gerçeği bir kenara, bu bilgisayarların taslak halindeki ilk versiyonları günümüzde bile mevcuttur. Üzerinde ciddi tartışmaların döndüğü asıl nokta ise, bu türden bir kuantum bilgisayarının yalnızca çok fazla sayıdaki bilgisayarların toplamı gibi mi çalışacağı, yoksa, bazılarının inandığı gibi, kendi kendisinin paralel gerçeklikler veya evrenlerde var olan birçok farklı kopyasının bilgi işlem gücünden mi yararlanacağı sorusudur.

Kuantum bilgisayarlarının temel özelliği olan aynı anda birçok işlemi birden yapabilme yetisi, dalgaların (dolayısıyla da, dalgalar gibi davranan atom ve fotonların da) yapabildiği iki şeyden kaynaklanmaktadır. Bunlardan ilki, okyanus dalgalarında görülebilir.

Okyanusta hem büyük dalgalar hem de küçük dalgacıklar oluşur. Ancak rüzgarlı bir günde dalgalı bir denizi seyrederken herkesin bilebileceği gibi, büyük dalgaların üzerinde küçük dalgacıklar da görebilirsiniz. Bu tüm dalgaların genel bir özelliğidir. Eğer iki farklı dalga var olabiliyorsa, aynı şekilde, dalgaların bir kombinasyonu, yani süper pozisyonu da var olabilir. Süper pozisyon gerçeği, gündelik dünyada önemsiz bir şey gibi görünebilir. Ancak atomlar ve bileşenlerinin dünyasında, bu durumun etkileri sarsıcı düzeydedir.

Burada şaşırtıcı bir durum yok. Fakat, şunu unutmamak gerekiyor ki, aynı anda iki dalganın birden var olmasına imkan tanındığında, bu dalgaların bir süper pozisyonunun var olmasına da imkan tanınmış olur. Deniz dalgaları için konuşacak olursak, bu türden bir kombinasyon kimse için inanılmaz bir durum değildir. Ancak atomların dünyasında söz konusu kombinasyon olağanüstü sayılabilecek bir duruma tekabül eder; aynı anda hem camdan geçen hem de geri yansıyan bir fotonun varlığına. Diğer bir deyişle, foton aynı anda camın iki tarafında birden bulunabilmektedir.

Tahayyül sınırlarımızı zorlayan bu özellik, iki kaçınılmaz gerçekten kaynaklanıyor: fotonların dalgalar tarafından tanımladığı ve dalgaların süper pozisyon hallerinin olası olduğu gerçeklerine.

Bu uçuk bir teori değil. Yapılan deneylerde, aynı anda iki yerde birden bulunan bir foton ya da atomu gözlemlemek gerçekten de mümkündür (daha doğru bir ifadeyle ortaya koyacak olursak, aynı anda iki yerde birden bulunan bir foton ya da atomun neden olduğu sonuçları gözlemlemek mümkündür. Bu durumun gündelik hayatımızdaki karşılığı, aynı anda hem İstanbul hem de Londra’ da bulunabilmemizdir. Dahası, üst üste binecek dalgaların sayısının bir sınırı olmadığından, bir foton ya da atom aynı anda üç, an ya da bir milyon yerde olabilir.

Atomlar ve türevleri yalnızca aynı anda birçok yerde bulunabilmekle kalmaz, aynı anda birçok işi de gerçekleştirebilirler. Bunun gündelik yaşantımızdaki karşılığı ise, aynı anda ev temizliği yapmanız, köpeği dolaştırmanız ve haftalık süpermarket alışverişinizi halletmenizdir. Kuantum bilgisayarlarının muazzam gücünün ardındaki giz budur. Atomların aynı anda birçok işi yapabilme yetisini kullanan kuantum bilgisayarları, aynı anda çok sayıda hesaplamayı yapabilmektedir.

Aynı Anda Birçok Şey Yapmak

Günümüz bilgisayarının temel yapı taşı transistörlerdir. Transistörler iki farklı gerilim seviyesinde bulunabilir; bunlardan biri ikili basamaklardan (bitlerden) “0” ı, diğeri ise “1” i temsil eder. Sıfır ve birlerin oluşturduğu bir sıra, çok büyük bir sayıyı temsil edebilir ve bilgisayar içinde bu sayı, bir başka büyük sayıyla toplanabilir, çıkartılabilir, çarpılabilir ve bölünebilir. Öte yandan, bir kuantum bilgisayarının temel yapı taşları süper pozisyon konumunda da bulunabilir. Diğer bir deyişle, aynı anda hem “0”ı hem de”1”i temsil edebilirler. Fizikçiler, kuantum bitlerini normal bitlerden ayırt edebilmek için, şizofren kuantum bitleri (ya da “kubit”) terimini kullanmaktadır.

Tek bir kubit üzerinde aynı anda iki farklı işlem, iki kubitle dört farklı işlem, üç kubitle sekiz farklı işlem yapabilirsiniz ve kubit sayısı arttıkça, aynı anda gerçekleştirebileceğiniz işlem sayısı da 2’nin kuvvetleri olarak artar. Bu sizi etkilemediyse, 10 kubitle aynı anda 1024 işlem ve yalnızca 100 kubitle milyarlarca işlem yapabilirsiniz. Kuantum bilgisayarlarının günümüz bilgisayarlarını bazı hesaplamalarda performans açısından silip geçeceği anlaşılmıştır. Geleneksel bilgisayarlar performans açısından kuantum bilgisayarlarının yanında geri zekalı gibi görünmektedir.

Kilit Nokta, Girişim

Bir kuantum bilgisayarının çalışması için, dalga süper pozisyonları tek başlarına yeterli değildir. Dalga süper pozisyonlarının ihtiyaç duyduğu bir başka şey girişimdir. Kuantum bilgisayarlarının aynı anda birçok işlemi birden yapılabilmesinin nedeni, farklı durumların süper pozisyonu olarak var olabilmeleridir. Örneğin, 10 elementli (yani 10 kubitlik) bir kuantum bilgisayarı aynı anda 1024 farklı durumda bulunabilir ve dolayısıyla, aynı anda 1024 işlem gerçekleştirebilir. Diğer bir taraftan, yeniden bir araya gelmedikleri sürece, bir işlemin farklı noktalara açılmış dallarının hiçbir değeri yoktur. Bunu gerçekleştiren ise, girişimdir. Girişim sayesinde, süper pozisyonun 1024 farklı durumu birbirleriyle etkileşime girebilir ve birbirlerini etkileyebilir. Gene girişim sayesinde, kuantum bilgisayarının elde ettiği tek bir cevap, 1024 paralel işlemin tümünde ne olup bittiğini yansıtır ve bir araya getirir.

1024 ayrı parçaya ayrılmış ve her bir parçanın üzerinde tek bir kişinin çalıştığı bir problem düşünün. Problemin çözüme ulaştırılması için, söz konusu 1024 kişi birbirleriyle sürekli iletişim halinde olmalı ve elde ettikleri sonuçları değiş-tokuş etmelidir. Girişimin kuantum bilgisayarlarında mümkün kıldığı şey işte budur.

Çoklu Evren

Kuantum bilgisayarlarının aynı anda muazzam sayıda işlem yapabilmeye yönelik olağanüstü gücü bizim için bilmece durumundadır. Bununla birlikte, günümüzün kuantum bilgisayarları henüz ilkel bir düzeyde ve yalnızca bir avuç kubit üzerinden işlem yapabiliyor olsa da, aynı anda milyarlarca, trilyonlarca ya da katrilyonlarca işlem yapabilecek bir kuantum bilgisayarlarını hayal etmeniz imkansız değildir. Önümüzdeki 30 ya da 40 yıl içerisinde, aynı anda Evren’de var olan parçacıklardan dada fazla işlem yapabilecek bir kuantum bilgisayarları inşa edilebilir. Bu varsayım durumu önümüze zor bir soru koyuyor. Bu bilgisayar işlemlerini tam olarak nerede gerçekleştirecektir? Sonuçta, bu türden bir bilgisayar aynı anda Evren’de var olan parçacıklardan daha fazla işlem yapabiliyorsa, o zaman Evren’in işlem kaynaklarının bu makinenin gerçekleştirebileceği işlemler açsından yetersiz kalacağı öne sürülebilir.

Çözülmesi imkansız gibi görünen bu durumdan çıkmamızı sağlayabilecek olağanüstü bir olasılık, kuantum bilgisayarlarının işlemlerini paralel gerçekliklerde ya da evrenlerde gerçekleştiriyor oluşudur. Bu fikir, 1957 yılında Princeton’da yüksek lisans öğrencisi olan Hugh Everett’ e dayanmaktadır. Everett “Çoklu Dünyalar” fikrini, kuantum bilgisayarlarının ortaya çıkışından çok uzun zaman önce öne sürmüş olsa bile, gene de konu üzerinde faydalı bir açılımı olabilir. Çoklu Dünyalar fikrine göre, kuantum bilgisayarlarına bir problem verildiğinde, bilgisayar kendi kopyalarına ayrılmakta ve her bir kopya farklı bir gerçeklikte var olmaktadır.

Tüm bu bilmecelere rağmen, Everett tarafından öne sürülmesinin üzerinden geçen yarım yüzyılın ardından, Çoklu Dünyalar fikri yeniden popülerlik kazanmıştır. Her gün sayıları artmakta olan ve aralarında Oxford Üniversitesi’ n den David Deutsch gibi önemli isimlerin de bulunduğu birçok fizikçi, bu fikri ciddiye alıyor. Deutsch “Gerçekliğin Dokusu” isimli kitabında, “Paralel evrenlere yönelik kuantum teorisi, birtakım teorik muammalardan doğan baş belası bir yorum değildir.” demektedir. Çoklu Dünyalar fikrine inanmasınız bile, fikir gizemli kuantum dünyasında neler olup bittiği anlayabilmemiz için basit ve kolaylıkla algılanabilen bir yol sunmaktadır.

Neden Yalnızca Küçük Şeyler Kuantumdur?

Kuantum bilgisayarları, inşası aşırı derecede zor olan makinelerdir. Bunun nedeni, bir kuantum süper pozisyonunun farklı durumlarının birbirleriyle girişimde bulunma yetisinin çevresi tarafından yok edilmesi, ya da ciddi bir şekilde indirgenmesidir. Bu yıkım çift yarık deneyinde canlı bir şekilde görülebilir. Kuantum davranışı aslında yaratılmış şeylerin bir özelliğidir. Bu davranışı gündelik hayat yerine mikroskobik dünyada görmemizin nedeni, küçük bir şeyi kendisini çevreleyen unsurlardan yalıtmanın, büyük bir şeye nazaran çok daha kolay olmasıdır.

Bu nedenle, kuantum şizofrenisinin ihtiyaç duyduğu şey yalıtımdır. Atom gibi mikroskobik bir parçacık dış dünyadan yaratılmış bir şekilde kaldığı sürece, aynı anda birçok şey yapabilir. Bu durum, kuantum şizofrenisinin gündelik bir olay olduğunu mikroskobik dünyada zor bir şey değildir. Diğer bir taraftan, içinde yaşadığımız ve her saniye içinde katrilyonlarca fotonun nesnelere çarparak sektiği büyük ölçekli dünyamızda, bu neredeyse imkansız bir durumdur.

Kuantum bilgisayarları üzerinde çalışan fizikçilerin önündeki temel engel, bilgisayarı çevresinden yalıtılmış bir şekilde tutabilmektedir. Bugüne dek yapılabilen en büyük kuantum bilgisayarı yalnızca 10 atomdan oluşmakta ve 10 kubit üzerinden işlem gerçekleştirmektedir. Burada fizikçilerin tüm gücünü gösterdiği şey, makineyi oluşturan 10 atomun herhangi bir süre boyunca çevresinden yalıtılmış bir şekilde tutmaktır. Tek bir foton bile bilgisayardan sekerse, 10 şizofren atom anında 10 sıradan atoma dönüşür.

Kuantum bilgisayarlarının yapabildiği, yalnızca tek bir yanıtı olan paralel işlemlerle sınırlanmıştır. Bu nedenle, günümüzde kuantum bilgisayarlarının çözebildiği sınırlı sayıda problem vardır. Genelde söylenegeldiği üzere, kuantum bilgisayarları dilimlenmiş ekmekten bu yana en büyük icat değildir. Gene de, bir kuantum bilgisayarının güçlü yanlarına hitap eden bir problem bulunduğunda, bu kuantum bilgisayarı, normalde Evren’in sonuna dek sürecek bir hesaplamayı birkaç saniye içinde gerçekleştirerek, performans açısından günümüzün süper bilgisayarlarını gülünç bir duruma düşürebilir.

Kuantum bilgisayarlarını üretmek için didinen uzmanların en büyük düşmanı olan evre uyumsuzluğu, aynı zamanda bu uzmanların en büyük müttefiğidir de. Sonuçta, girişimde bulunan tüm farklı dallarıyla işlem sürdüren bir kuantum bilgisayarının süper pozisyon durumunun en sonunda bozulmasının nedeni, evre uyumsuzluğudur. Bu türden bir makinenin işimize yarayacak bir çıktı, yani tek bir duruma indirgenerek tek bir sonuç vermesi için süper pozisyon durumunun bozulması gerekir.

Kuantum dünyası paradokslarla örülüdür.

Kaynak: “Quantum Theory Cannot Hurt You” Marcus Chown