Kuantum Bilgisayarı Yatırımı

Nisan 2016’da Kanada Başbakanı Trudeau Kanada Teorik Fizik “Perimeter Enstitüsü”nü ziyaret etti ve Kuantum teorisi, geliştirilmesi ve hesaplamaları hakkında yapılacak çalışmalara fon sağlayacağını beyan ederken bir gazeteci “Kuantum hesaplamasından ne anladığınızı soracaktım ama …haha” diyerek cevap alamayacağını düşündüğünü hissettirdi.

Genç Trudeau atomların dalgacık-tanecik, kubit özellikleri ve sağdan bak 1 soldan bak 0 (entanglement, dolaşıklı) özellikleri ile ikili-binary kodlamayla çalışan klasik bilgisayar hesaplamalarından daha çok kodlamaya imkan verdiğini ve atomal mikro boyutların daha az enerjiyle çalıştığını belirtti. Kuantum hesaplamalarının uygun algoritmalarla karmaşık problemleri kısa sürede çözebileceğine değindi. Başbakan konuyu özümsemiş olduğunu herkese açıklamasıyla hissettirdi ve alkış aldı. En üst düzey bir politikacı Kanada’nın parasını yatırdığı, desteklediği Enstitünün çalıştığı alanı bu açıklamasıyla mükemmel düzeyde anladığını televizyonda tüm Kanada halkına göstermiş oldu.

Türkiye’de de 24 Haziran 2018 seçimlerinde Endüstri 4.0, yapay zeka, geleceğin meslekleri, internete bağlı bilgisayar kullanılan, kitap okunan toplantı merkezleri konuşuldu. Teknik ilerideki seçimlerde muhtemelen daha çok konuşulacak.

Günümüzde bilgi sistemleri ve onun önemli birimi bilgisayarlar, internet erişimi yaşamımızda önemli. Günlük işlerimizin çoğunu banka ödemeleri, alışveriş, bilet almak gibi işlerimizi bilgisayar veya akıllı telefon üzerinden yapıyoruz. Haberleşme iletileri, e postalarımız çok fazla sayıda. Birbirimize resim, video, metin gönderebiliyoruz. Google arama motoru her sorduğumuz konuda yardımcı. Bilgi sistemleri  kurum ve kişilerin hayatında vazgeçilmezler, olmazsa olmazlar arasında.  1950’lerde koca bir odayı işgal eden 4-5 kilobit hafıza kapasiteli tüplü bilgisayarlar, 1970’lerde yerini tranzistörlülere terk etti. Zaman içinde hacimsel küçülme, performans büyümesi, enerji tüketiminin azalması sağlandı. Gigabyte hafızalar, güçlü işlemciler cep telefonumuzda. Dünya da erişilemez yer az kaldı. Aşağı yukarı 40 yıldır her 18 ayda, aynı fiyata örneğin 2000 dolara, iki kat kapasiteli bilgisayar üretilmesi, Moore kanunu, devam ediyor. Ancak bir karta sığdırılan milyonlarca transistör artışı, en nihayetinde boyut sınırlanması sorunu ile karşılaşacak. 2018 itibariyle teknoloji bir posta pulu büyüklüğündeki entegreye 4 milyar adet civarında transistör veya aç/kapa anahtarı sığdırabiliyor.

Ayrıca büyük harf (A) 0100 0001  kodlarıyla ondalık rakamla 65, küçük harf (a) 0110 0001 kodlarıyla ondalık rakamla  97 ifade ediliyor. Bildiğimiz tüm Latin rakam, sembol ve harfleri 255 karakter içinde ifade ediliyor.  Bilgisayar işlemcisinde toplama, çıkarma işlemlerinden yararlanarak çarpma ve bölme yapılıyor. İşlemler basit ancak saniyede birkaç Giga hertze erişen hızlar, terabyte kapasitesinde hafızalar sözkonusu. Bilgisayarlar milisaniyeler üzerinden çalışan insana göre milyonlarca kat daha hızlı. Ancak sonsuz hız yok.

Günümüz cihazlarında akıllı telefondan 100 km uzakta bir konum ve yer adresi  versek ve oraya gitmek istesek en kısa yolu araştırmak yazılım, hesaplama algoritması ve süre gerektiriyor. Bilgisayar o rotayı tam buluncaya kadar olası rotaların uzunluğunu hesaplıyor. Değerlendirme yapıyor. Sıralı ve tek tek karşılaştırmalı işlem söz konusu. Ankara-Antalya güzergahında duble yol biraz uzun ama daha rahat. Seyahat ederken kaza olasılığını azaltmak istersen biraz uzun ama güvenlikli yolu tercih ediyor ve benzinden fedakârlık ediyorsun. Muhtelif doğrular ve ona uygun çözümler var. Yandex veya Google map’in daha geliştirilmesi gerekli. Bilgisayarlara, hesaplarda ve sonuçlarda anlamı olmayan büyüklüklerin ihmal edilme özelliğinin ilavesi gerekli. Örneğin pi sayısının 3.14 olarak yaklaşık alınması, transistörde hfe 300 iken baz akımının dikate alınmayarak hesapların basitleştirilmesi gibi.

Sorun nedir? 2040’lı yıllara erişildiğinde sayısı milyarlarca olan, insan nüfusunu aşacak mevcut makinelerin, bilgisayarların enerjisinin karşılanması, soğutulması, hızlarının yeterliliği, istedikleri süre konuları tartışılacak ve muhtemelen ihtiyaçların karşılanmasında sınırlamalara erişilecek. Bu sınırlamalarla karşılaşılacağı 1980’lerden beri konuşuluyor.

Günümüzde daha az enerjiyle durumunu değiştiren , koruyan ve kontrol edilebilen varlıklar (assets) aranıyor. Fizikçiler bu ihtiyaca en iyi cevabı; atomu oluşturan elektron, proton, nötron ve elektronların yörünge dizilişi, yeni yörüngelere geçişi, dalga ve tanecik davranışları cevap verebilir diyorlar. Ayrıca molekül oluştururlarken atomlar zengin sayılacak miktarda yeni durumlara adaptasyon kazanabiliyor.

Klasik bilgisayar yerine daha az enerjiyle çalışan (10 üzeri -24 joule), hızlı ve çok durum içeren atomik hareketlerden yararlanılması açıkçası Kuantum mekaniği davranışından istifade ederek kuantum bilgisayarları yapılması öneriliyor. Kuantum hesaplaması ve kuantum bilgisayarları fizikçilerin gündeminde ve 40 yıla yakındır üzerinde çalışılıyor.

Kuantum hesaplamalarında klasik bilgisayardaki ikili 0 veya 1 (lamba sönük veya yanık, röle açık veya kapalı)  özelliğine ilave olarak belirli olasılıkla hem sıfır hem bir olmak  (süperpose); “Kubit olabilme” özelliği var. Ayrıca atomların hem dalgacık hem tanecik olabilme özelliklerinden istifade ederek çok sayıda bilgi depolayabilmek mümkün görülüyor. Açıkçası atomların bir anda çok daha fazla kodlanabilme özelliklerinden yararlanmak mümkündür deniyor.

Kubit özelliği, bukalemun olma,  klasik bilgisayar kripto algoritmalarını daha kısa sürede çözmeyi, banka, askeri haberleşme, istihbarat cihazları şifrelerini açığa çıkarma özelliklerini içeriyor. Bu yüzden yeni kripto cihazları yapılması gerekebilecek ve milyonlarca dolarlık eski yatırımlar riske giriyor. Yeni kripto alımları yapmadan önce gelecekte ne olacak? Kuantum bilgisayarları çıktığında yeni dönem kripto mimarisi (post quantum crypto architecture) ve klasik kriptoların ömrü ne kadar devam edebilir sorularının cevaplanması gündemde olacak.

Kuantum alanında atomik düzeyde 0,1 ve Kubitler magnetik akı değişikliği, yük değişikliği, faz değişikliği ile oluşturulabiliyor.  Mühim olan bu değerlerin oluşturulduğunda mikrosaniyeler düzeyindeki sürenin açıkçası hafıza süresinin uzatılması, mutlak sıfır sıcaklığına ihtiyaç duyulması gibi teknik sorunlar mevcut. Kuantum konumları, modellemede r yarıçaplı bir küre üzerinde seçilen ve yarıçapı 0-r arası olan noktalar olarak sonsuz sayıda canlandırılıyor. Atom yörüngelerinde sonsuz olmasa da çok sayıda konum oluşturulabildiği kabul ediliyor.

Konuya ABD hükümeti 2.2 milyar $ fon ayırmış ve 147 milyon $ özel girişimci desteği var.         IBM, Google, Microsoft, Nokia Bell laboratuarları gibi büyük firmalar bu alanda çalışıyor. Avustralya’da üç bilim adamı silikon entegre içine yerleştirilen bir fosfor atomu elektronunun 0,1 konumlarını deneysel olarak gerçekleştiriyor. Uzun dönemde silikon transistör yerine, atomla durum değişikliği 0,1, kubit yapılıyor. Kuantum hesaplama sistemi, kuantum bilgisayar prototipleri hazırlanıyor.

Kişisel bilgisayara erişmek nasıl 30 yıl sonra 1980’lerde mümkün olmuşsa, kişisel kuantum bilgisayarı şimdilik hayal. Ancak kuantum sunucusu/bilgisayarı içeren bir merkeze bulut üzerinden bağlanıp, kuantum bilgisayarından istifade etmek 3-5 yıl içinde mümkün olabilecektir tahminleri var.

Kuantum bilgisayarlarının optimizasyon problemleri çözümlemesinde, petrol-gaz tesislerinde, kimyada, havacılıkta, finans alanında, yapay zeka uygulamalarında, büyük veri (big data) hacimi içeren problemlerin çözümlerinde faydalı olacağı ve yüksek olasılıklı çözümleri bulacağı umuluyor.

Kuantum bilgisayarları mevcut bilgisayarların rakibi değil, farklı yazılım, donanım, kuantum hesaplaması isteyen farklı bir bilgi sistem alanı olacak. Klasik bilgisayarlar ve kuantum bilgisayarları muhtemelen uzun süre biribirini tamamlayan alanlarda kullanılacak. Kuantum bilgisayarlarının yaşamda olduğu, doğanın atomik, moleküler düzeyde çalıştığı söyleniyor.

Teknoloji için sorun aslında hız, kodlama ve kapasite sorunu; daha çok veriyi, kısa sürede işlemek ve uzun süre bozulmadan saklayabilmek. Çözüm kuantum teknolojisinde veya yeni icat edilecek başka bir teknolojide olabilir.

Ayrıca, insan gibi kapsamlı düşünebilmek, beyin sırlarına vakıf olmak konusu daha başlangıç araştırması aşamasında. Konu kuantum hesaplaması, paralel hesaplama kapsamında çözülebilir öngörüsünde bulunanlar var. 

İnsanın gücü gelişen bilim ve teknoloji ile artıyor. İnsan kontrollü olarak istediği yere, istediği miktarda ve istediği zamanda yağmur yağdırabilirse ileride mitolojideki yağmur tanrısı fonksiyonunu başarmış olacak.

Kuantum hesaplaması, kuantum bilgisayarları yeni bir bilgi sistem çağının başlangıcı olabilir.