Kuantum Hesaplama: Anlamı, Avantajları ve Daha Fazlası

Kuantum hesaplama, hesaplamaların gerçekleştirilmesinde kuantum-mekanik ilkelerin uygulanmasıdır. Burada kullanılan temel fenomenler, dolaşma ve süperpozisyondur .

Kuantum hesaplama nispeten yeni bir terim olsa da, kuantum mekaniği çok daha uzun süredir varlığını sürdürmektedir. Elektronik endüstrisindeki büyük gelişmelerden sorumluydu ve ayrıca insanlığın birçok gizemine cevaplar sunuyor.

Kuantum mekaniği, atomların ve atom altı parçacıkların nasıl çalıştığına odaklanırken, kuantum kelimesi, çalışılabilecek en küçük parçacık anlamına gelir. Bu, herhangi bir fiziksel nesnenin en temel yapı taşıdır.

Max Planck'tan Albert Einstein'a, Neils Bohr'dan ve Erwin Schrödinger'e kadar pek çok büyük bilim insanı, kuantum mekaniğinin geliştirilmesinde ve onun zamanımızın en büyük teknoloji yarışlarından biri olan kuantum hesaplama yarışına dönüşmesinde yer aldı.

Bu gönderi sizi kuantum fenomenlerinin büyülü dünyasına götürür, ondan nasıl bir bilgisayar yapılacağını gösterir ve ilgili alanlarını araştırır.

Uzaktan Ürkütücü Aksiyon

Kuantum fenomenleri, geleneksel anlayışa meydan okur ve klasik fizikten tamamen farklı terimler üzerinde çalışır. Böylece, 1930'larda Einstein, kuantum dolaşıklığı fenomenini ve bunun geleneksel bilime nasıl uymadığını açıklamak için "uzaktan ürkütücü eylem" kelimelerini kullandı.

Kuantum dolaşıklığı yeni bir şey değil. Aynı yerde ve aynı anda iki parçacık yaratırsanız, bunlar birbirine karışır. Yani birinin başına gelen diğerini de etkiler.

Sevgilinizi düşündüğünüzde aşık olmak ve bir çağrı almak gibi. Ya da bir arama yapıp “tam seni arayacaktım” diye duymak. Tek yumurta ikizlerinin aynı zamanda hastalandığı da bilinmektedir.

Kuantum dolaşıklığın en ürkütücü yanı, dolaşık parçacıklardan birini çok uzaklara götürebilmenizdir. Ve onu hangi koşullara maruz bırakırsanız maruz bırakın, ikinci parçacığı, yarım galaksi öteden bile anında etkileyecektir.

Kuantum bilgisayarlar, aynı anda birden fazla parçacık üzerinde büyük miktarda bilgi depolamak için bu özelliği kullanır. Bu parçacıklara kübitler veya kuantum bitleri denir, ancak önce ikinci kuantum-mekanik fenomene bir göz atın.

Erwin Schrödinger ve Kedisi

Bir başka erken dönem kuantum araştırmacısı, Albert Einstein gibi kuantum fenomenlerinin bazı kısımlarını gülünç bulan Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger'di. Böylece, kuantum süperpozisyon paradoksunu görselleştirmek için “Schrödinger'in kedisi” adlı şimdilerde ünlü olan düşünce deneyini buldu.

Bu deney, bir kediyi ve kediyi öldürebilecek bir şeyi bir kutuya koyarsanız ve onu mühürlerseniz belirtir. Kutuyu açana kadar kedinin ölü mü canlı mı olduğunu bilemezsiniz. Yani, mantıksal olarak, siz kutuyu açana kadar kedi hem ölü hem de diriydi.

Süperpozisyon, kuantum hesaplamayı mümkün kılan ikinci olgudur. Klasik bilgisayarların herhangi bir zamanda 1 veya 0'ı temsil edebilen bilgi bitleriyle çalıştığı yerde, kuantum bilgisayarlar aynı anda hem 0'ı hem de 1'i temsil edebilen kübitlerle (kuantum bitleri) çalışır, tıpkı hem ölü hem de ölü olan kedi gibi. canlı.

İşte kübitlere daha yakından bir bakış.

Bit vs Qubit

Kubit, kuantum hesaplamayı mümkün kılan şeydir. Kuantum biti veya qbit olarak da adlandırılan kübit, bilgi kaydetmek ve almak için kullanabileceğiniz en küçük enerji birimidir.

Normal bir bilgisayar biti herhangi bir zamanda yalnızca 0 veya 1 olabilir. Bir kuantum biti aynı anda her ikisi de olabilir. Bu nedenle, iki normal bit herhangi bir zamanda 00, 01, 10 ve 11 tutabilir. Ancak iki kuantum biti aynı anda dört durumu da tutabilir. Bu, 4 kat daha hızlı hesaplama döngüleri anlamına gelir.

3 normal bit ile herhangi bir zamanda 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 ve 111 alabilirsiniz. Ancak 3 kübit, sekiz durumun tümünü aynı anda tutacak ve size 8 kat daha hızlı hesaplama döngüsü sağlayacaktır. Gördüğünüz gibi, bu ilişki üsteldir, o zaman her ek bit, mevcut bilgi miktarını ikiye katlar.

Yani, 5 kübit ile 32 eşzamanlı duruma bakıyorsunuz, 10 kübit ile 1.000'den fazla ve 20 kübitte bir milyonun üzerinde. Şimdi, IBM ve Google'ın geliştirmekte olduğu 1.000 kübitlik kuantum bilgisayarların aynı anda kaç durumu tutabileceğini düşünün.

Fotonlardan, elektronlardan, atom çekirdeklerinden, kuantum noktalarından, süper iletkenlerden ve diğer uygulamalardan kübitler yapabilirsiniz. Amaç, istediğiniz zaman rahatça ayarlayabileceğiniz ve ölçebileceğiniz sabit bir kuantum enerji biti koleksiyonu oluşturmaktır.

Kuantum Hesaplamanın Avantajları

Kuantum hesaplamanın en büyük avantajı, karmaşık problemlerin anlık sonuçlarıdır. Bu, esas olarak birçok olasılık arasından doğru cevabı seçmeniz gereken durumlarda geçerlidir. Bu da onları sayı faktoringi, büyük ölçekli simülasyonlar ve yapay zekada örüntü tanıma için harika kılar.

Klasik bilgisayarlar için standart yaklaşım, aradığınızı bulana kadar her olasılığı araştırmaktır. Samanlık aramasında genellikle iğne olarak adlandırılan bu işlemin ne kadar zaman alacağı, ne kadar saman veya kayıt gözden geçirmeniz gerektiğine bağlıdır. Ve makinenizin ne kadar hızlı olduğu konusunda.

Süper bilgisayarlar, her olasılığı kontrol etme hızını artırarak bu tür sorunları kolaylaştırır. Kuantum bilgisayarlar ise yeterli kübit varsa tüm olasılıkları aynı anda üretebilir. Bu nedenle, sıradan bilgisayarların hesaplamasının yüzlerce ila binlerce yıl alacağı sorunları birkaç saat içinde hesaplayabilirler.

Kuantum Hesaplama Sorunları ve Sınırlamaları

Klasik bir bilgisayarda bitleri kolayca ölçebilirken, bir kübiti ölçmek, onun ve dolaşmış kübitlerinin durumunu yok eder.

Ayrıca, klasik uçlar, yalnızca bir yükü (1) tutması veya (0) tutmaması gereken çok çeşitli yarı iletken malzemelerden yapılır. Bununla birlikte, kübitler çok daha karmaşık ve uygulanması zordur. Bir kübiti uzamsal olarak izole etmenin yanı sıra, onu sıcaklık ve elektrostatik dalgalanmalar gibi çevresel parazitlerden korumanız gerekir. Çünkü bu tür küçük çevresel değişiklikler bu durumları da yozlaştıracaktır.

Bu karışıklık veya sistem dengesi kaybı, kuantum uyumsuzluğu olarak adlandırılır ve çoğu araştırmacının çözmeye çalıştığı ana problemdir. Google'ın yaklaşmakta olan 1.000 kübitlik makinesinin, her bir kübitin hata düzeltmesi için 1.000 kübit'e kadar ihtiyacı olacak kadar şiddetlidir. Böylece onu 1 milyon kübitlik bir makine yapıyor.

Bu aynı zamanda şu anda bir kuantum bilgisayarı bir dizüstü bilgisayar veya akıllı telefon gibi kullanamayacağınız anlamına gelir. Bilgisayarın, kübitleri için güvenli bir kararlılık seviyesini korumak için laboratuvar koşullarına ihtiyacı var.

Diğer bir dezavantaj, sözde kuantum üstünlüğünün sınırlı kapsamıdır, çünkü her hesaplama problemi büyük hacimli sayılar veya olasılıklar içermez. Bu nedenle, diğer çoğu işlemdeki hesaplama artışı, bir kuantum hesaplama yaklaşımını haklı çıkarmak için çok önemsizdir. Ve kuantum bilgisayarlar klasik bilgisayarlardan daha ucuza gelmedikçe, yakın zamanda onların yerini almıyorlar.

Tüm bu dezavantajlara rağmen, kuantum bilgisayarlar ve onların kübitleri, kolaylıkla işleyebilecekleri çok sayıda olmaları nedeniyle bilgisayar endüstrisinde büyük bir potansiyele sahiptir.

Kuantum Hesaplamanın Tehlikeleri Var mı?

Evet. Her iyi hacker, her teknolojinin bir boşluk olduğunu bilir. Sadece bulman gerek. Dolayısıyla, gelecekte kuantum bilgisayarların gerçek uygulamaları ne olursa olsun, teknolojiyle ilgili sorunlar olmaya devam edecek. Ve aktörler onlardan yararlanmaya hazır.

Bu senaryo, bankacılık, finans, devlet ve benzeri kamu faaliyetleri gibi kullanımları ifade eder. İkinci bir senaryo, kötü niyetli bir oyuncunun bir başarı elde etmek için iyi bir kuantum bilgisayarın inanılmaz gücünü kullanmasıdır. Ve her zaman olduğu gibi, insanlar ancak eylem yapıldıktan sonra böyle bir olasılıktan haberdar olacaklardır.

Kuantum hesaplama sayılarla iyi iş çıkarır. Dolayısıyla, açık anahtarlı RSA gibi çarpanlara ayırma kullanan asimetrik şifreleme algoritmaları güvenli değildir. Öte yandan AES-256 ve 512 ile SHA-256 ve 512 gibi karma ve simetrik kriptografi nispeten güvenlidir.

Kuantum Mekaniğinin Diğer Uygulamaları

Kuantum hesaplama dünyası ne kadar heyecan verici olsa da, hala kuantum mekaniğinin bir parçasıdır. Yani, başka bir deyişle, kuantum partisi daha yeni başlıyor.

Kuantum mekaniği, yarı iletken ve modern elektronik gelişiminde etkili olmuştur. İsviçre merkezli kuantum kriptografi öncüsü ID Quantique gibi kuantum ağ iletişimi ve kriptografi için de çalışmalar sürüyor. Ayrıca kuantum fenomenleri, fotosentez, koku alıcıları ve hatta zaman anlayışımız dahil olmak üzere birçok araştırma alanında umut vaat ediyor.

Gerçek Dünya Kuantum Bilgisayarları

Orada birçok kuantum bilgisayar ve benzeri uygulamalar var. Google ve IBM gibi büyük çok uluslu şirketlerin yanı sıra hükümetlerden ve hatta Rigetti gibi daha küçük oyunculardan geliyorlar.

Kuantum hesaplama şu anda gezegendeki en sıcak araştırma alanlarından biridir. Yani muhtemelen hayal edebileceğinizden çok daha fazla gizli program var. Aşağıda bazı büyük projeler yer almaktadır:

• Google'ın 54-qubit ve 72-qubit makineleri var
• IBM, 65-qubit Manhattan da dahil olmak üzere dünyanın dört bir yanına dağılmış 30'dan fazla makineye sahiptir.
• Çin, 76 kübitlik bir makine ve hatta kuantum uydu iletişimi de dahil olmak üzere birçok kuantum bilgisayara ev sahipliği yapıyor.
• Google'ın 54-qubit Sycamore destekli makinesi, süper bilgisayarların hesaplamak için 10.000 yıla ihtiyaç duyacağını hesaplamak için yalnızca 200 saniye harcadı.
• IBM, 2023'e kadar 1.000 kübitlik bir makine geliştiriyor
• Rigetti Computing, 31 kübitlik bir makine de dahil olmak üzere dördüne sahip
• Google, 2029 yılına kadar 1000 kübitlik bir bilgisayar oluşturmak için yeni bir kuantum merkezi inşa ediyor. Faktoring hatası düzeltmesi, bu bilgisayarın toplam kübiti 1 milyona ulaşabilir.

Çözüm

Kuantum bilgisayarlar kalıcıdır. Birçok fırsat yaratacakları ve klasik bilgisayarların onlarca yıldır mücadele ettiği gerçek dünya sorunlarını çözecekleri için.

Ancak, oraya varmadan önce yapılacak çok iş ve üstesinden gelinmesi gereken zorluklar var. Ve o zamana kadar Çin dünyayı şaşırtabilir.