Kuantum Üstünlük Ne Zaman Geliyor?

Google Ekim ayında kuantum üstünlük yakaladığını öne sürdü. Peki kuantum bilgisayarlar ne zaman bütün internet şifrelerini kıracak kadar güçlü olacak? İstihbarat dairelerini işinden edecek türden kesin kuantum üstünlük mümkün mü? Yoksa sibergüvenlik için kuantum bilgisayarların kıramayacağı kadar güçlü şifreleme teknikleri geliştirebilir miyiz? Evrende kuantum bilgisayarların asla çözemeyeceği problemler var mı? Bu yazıda kuantum üstünlüğü kişisel veriler, devlet sırları, ticari sırların korunması açısından görecek ve kuantum blokzincire değineceğiz:

Kuantum üstünlük geliyor

Baştan söyleyelim: Kuantum bilgisayarlar gelecekte bugün internette kullanılan bütün şifreleri kıracak kadar güçlü olacak. Öte yandan, kuantum bilgisayarların şimdilik kıramayacağı kadar güçlü şifreleme teknikleri de geliştiriliyor. Peki kuantum bilgisayarlar klasik bilgisayarlardan güçlü olunca sibergüvenlik ve istihbarat sektörüne ne olacak?

Gizli ajanları ve interneti gözetleyen NSA gibi istihbarat dairelerini emekliye mi ayıracağız? Kuantum bilgisayarlar internetteki bütün şifreleri kıracak kapasiteye erişirse ne olacak? Bugün online reklam çerezleri ve derin paket incelemesi sayesinde pratikte ortadan kalkmış olan özel hayatın gizliliği tümüyle yok olacak mı? Peki evrende kuantum bilgisayarlarla çözemeyeceğimiz problemler var mı?

Örneğin, kuantum bilgisayarlar klasik bilgisayarların bilgi-işlem kapasitesini aşınca insandan üstün süper zeka gelecek mi? Kurzweil’ın teknolojik tekillik hedefi kuantum işlemcilerle gerçekleşecek mi? 10 bin yılda çözülecek problemi kuantum bilgisayarla 200 saniyede çözdüğünü öne süren Google, interneti ele geçirip ABD için herkesi daha iyi gözetleyecek mi?

Ekonomiden devlet çıkarlarına ve bilim-teknolojiden transhümanizme uzanan bütün bu soruları yanıtlamak için önce kuantum üstünlüğü doğru tanımlayalım. Hayaller yerine gerçeklere bakalım:

İlgili yazı: Yapay Zeka ile İnsan Zekası Arasındaki 10 Fark Nedir?

 

Kuantum üstünlük nedir?

Kuantum üstünlük, kuantum dolanıkla kurulan qubitler sayesinde yüzde 100 paralel çalışan kuantum bilgisayarların, klasik bilgisayarlardan daha hızlı çalışması demek değildir. Paralel kuantum bilgisayarlar zaten seri klasik bilgisayarlardan daha hızlı çalışıyor.

Ancak, klasik bilgisayar işlemcileri şu anda deneysel kuantum CPU’lardan daha güçlü. Öyleyse kuantum üstünlük hızlı çalışmak değil, kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarlardan daha güçlü olması ve matematik problemlerini klasik bilgisayarlardan daha hızlı çözmesi demektir (çünkü bilgisayar dünyasında her şey matematiktir ve yapılacak işler kodlarla ifade edilir).

Özetle kuantum bilgisayarlar uygun matematik problemlerini daha hızlı çalıştıkları için daha hızlı çözmezler. Bunun yerine birçok alt parçadan oluşan problemlerin (örneğin polinomlar) tüm parçalarını aynı anda çözerler. Bu nedenle klasik bilgisayarlardan daha hızlı çalışır gibi davranırlar.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Kuantum bilgisayar nasıl çalışıyor?

Bu sorunun detaylı cevabını yazılımcılara kuantum bilgisayar rehberi ve kutritler ile üç boyutlu kuantum ışınlama başlıklarında bulabilirsiniz. Ancak özetle, kuantum bilgisayarlar qubitlerle çalışan çok çekirdekli paralel işlemcilerdir. Her biri ayrı bir kuantum işlemci çekirdeği olan qubitler (kuantum veri bitleri) kuantum dolanıkla kurulur.

Dolanıklığın ayrıntılarını da gözünüz 12 milyar yıllık ışıkla dolanık ve kuantum silgisi ile zamanı silmek mümkün mü? yazılarında anlattım; ama özetlersek: Kuantum fiziğinde tam dolanıklığa sokulmuş bir parçacığın spin (kendi çevresinde dönme yönü) gibi bir kuantum durumunu değiştirirseniz dolanık eşinin kuantum durumu da aynı anda değişecektir.

Örneğin, iki elektronu birbiriyle dolanıklığa sokar ve birini sağa doğru döndürürseniz diğeri de aynı anda sola doğru dönmeye başlayacaktır ki benzer bir etkileşim fotonlar için de geçerlidir. Nitekim deneysel kuantum bilgisayarlar elektronlar ve fotonlarla çalışıyor.

İlgili yazı:  Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Google’ın kuantum bilgisayarı

Google’ın kuantum üstünlük yakaladığını öne sürdüğü D-Wave Vezüv serisi kuantum bilgisayar da elektronlarla ve kuantum halkalama tekniğiyle çalışıyor. Öyleyse qubitler nasıl çalışıyor?

Kuantum bilgisayarlarda dolanıklığa sokulmuş parçacık çiftlerine qubit diyoruz. Bu kuantum bitler klasik mantık devreleri gibi sadece 1 ve 0 değerleri (açık veya kapalı) almıyor. Aynı zamanda 0,4 gibi ara değerler de alabiliyor (1 ve 0 kombinasyonları). Kuantum bilgisayarların paralel çalışma özelliği buradan geliyor:

Her qubite 2 veri biti kodlayabilirsiniz ki ilk bakışta bunda ilginç bir şey yoktur. Ancak, qubit sayısını artırmaya başladığınızda kuantum işlemcilerin bilgi-işlem kapasitesinin katlanarak arttığını görürsünüz. Örneğin 2 qubit 2² bit=4 bitle işlem yapar; ancak 3 qubit 2³ = 8 bitle çalışır ve 2ⁿ-1 formülüyle bu böyle sürer gider.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Gerçek kuantum üstünlük nedir?

Google 54 qubit ile kuantum üstünlük yakaladığını söyledi. Öyleyse Google’ın kuantum bilgisayarı 2⁵⁴-1 bit işlem kapasitesine sahiptir ve ilk bakışta bu müthiş bir sayıdır!

Karşılaştırma açısından: 18 Haziran 2019 itibariyle dünyanın en güçlü süper bilgisayarı olan ABD, Oak Ridge National Laboratory’s (ORNL) Summit’in işlem kapasitesi yaklaşık +148 petafloptur (saniyede +148 x 10¹⁵ gezer nokta işlemi, flop).

Oysa bu örnekte veri bitlerini floplarla (floating point ops) karşılaştırdık. Bu da pek doğru bir karşılaştırma olmadı; çünkü flop ölçü birimi bitin dengi değildir. İkisi farklı şeyleri ölçer. Ancak, kuantum üstünlük konusunu anlamak için tam da bu denksizliğe dikkat etmek gerekiyor:

Öncelikle 2⁵⁴-1 bitin tamamını floplara çevirebildiğimizi (yani bu bitlerin tümüyle hatasız işlem yapabildiğimizi) varsayarsak 2⁵⁴-1 bit yaklaşık 10¹⁵ flopa (1 petaflop) karşılık geliyor. Bu da kuantum üstünlük açısından pek etkileyici bir sayı değil. Öyleyse Google kuantum üstünlük yakaladı mı, yakaladı mı?

İlgili yazı: Renk Körlüğünü Düzelten Gözlük EnChroma

 

Google kuantum üstünlük yakalamadı

Bunun da birkaç sebebi var: Öncelikle kuantum üstünlük maalesef Google reklamlarına malzeme oldu. Bu terim kamuoyuna öyle bir sunuldu ki sanki kuantum üstünlük yakalayan ilk şirket süper zekaya dönüşüp dünyanın hakimi olacaktır. Böyle bir şey yok. 😀

İkinci olarak Google elektronlarla çalışan kuantum bilgisayarlar geliştiriyor. Elektronlar kütleli parçacıklardır; yani qubit halinde kuantum bilgisayarda hareket ederken ısınırlar. Özellikle de Vezüv serisi bilgisayarlardaki kuantum halkalama tekniği buna yol açar. Isınmak ise elektronların rastgele titreşmesi olup dolanıklığın bozulmasıdır. Peki bu ne demek derseniz:

Örneğin, Google’ın satın aldığı D-Wave şirketinin son geliştirdiği D-Wave 2000Q sisteminde 2000 qubit bulunuyor. Şimdi diyeceksiniz ki “Ama hocam, bu 2²⁰⁰⁰ bit kapasite demektir. Neden D-Wave 2000Q bilgisayarı, Oak Ridge Summit süper bilgisayarını kahvaltıda çerez gibi yemiyor? Süper zeki bilgisayar olarak bilinç kazanıp dünyayı ele geçirmiyor?”

İşte kuantum üstünlük konusunu insanlara yanlış tanıtınca kafalar böyle karışıyor. Evet, D-Wave 2000Q sistemi 2000 qubit oluşturabilir. Ancak bunların hepsini aynı anda dolanıklığa sokamaz!

Gerçek kapasite belki 2⁵⁴-1

Google da bu yüzden sadece 54 qubiti birbiriyle dolanıklığa sokup kuantum üstünlük elde ettiğini öne sürdü. Elektronlarla çalışan bu bilgisayar ısındığı için dolanıklık bozuluyor. Bu da bizzat tasarım sınırlamaları nedeniyle D-Wave 2000Q sisteminin 2²⁰⁰⁰-1 bit kapasiteyle çalışmasını engelliyor. Peki Google en azından iddia ettiği gibi 2⁵⁴-1 bit kapasiteyi yakaladı mı?

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Rakip şirket IBM’e göre hayır

IBM kuantum bilgisayar geliştirmek konusunda Google’ın rakibi. Google elektronlarla çalışırken IBM fotonlarla çalışıyor. Aslında bir tür hibrit fotonik bilgisayar geliştiriyor (yarıiletken spin qubitleri ve foton dolanıklığı ki ayrıca yazacağım). Nitekim seri çalışan klasik süper bilgisayar Summit de IBM tarafından geliştirildi. Peki IBM uzmanları Google kuantum üstünlük yakalamadı derken objektif mi?

Aslında IBM, Google’ı karalamaya çalışmıyor. Sadece Google’ın 200 saniyede yaptığı işlemi klasik bilgisayarların 2,5 günde yapabileceğini ve arada pek de fark olmadığını gösterdiler.³ Google’da buna cevaben 200 saniye 2,5 günden kısadır. Kuantum bilgisayarımız diğer süper bilgisayarlardan hızlı dedi.

İlgili yazı: Yapay Zeka Nedir ve Nasıl Çalışır?

 

Öyleyse kuantum üstünlük mümkün mü?

Bugünkü basit bir laptop 40 yıl önceki süper bilgisayarlardan daha hızlıdır. Bu yüzden gelecekteki kuantum bilgisayarların da daha hızlı olacağını ve çözmesi 2500 yıl alacak bir problemi 2 saniyede çözeceğini söyleyebiliriz. Ancak, kuantum üstünlük karşısında bizzat kuantum fiziğinden kaynaklanan teorik engeller de var:

Örneğin matematikçiler kuantum fiziğinin zamanda tersinir olmasından hareketle (kuantum fiziği zaman geçmişe aksa da çalışır) kuantum bilgisayarların, eğer ve öyleyse gibi koşullu mantık işlemlerini asla yapamayacağını söylüyor.

Nitekim bir algoritmanın trafik tıkanıklığı gibi göreli basit bir problemi nasıl çözdüğünü anlamak için bile çözüme ters mühendislik uygulamak ve rota optimizasyonu probleminin neden-sonuç ilişkisini analiz etmek gerekiyor. Açıkçası algoritmanın çözüme nasıl ulaştığını bilmemiz gerekiyor. İşte bu, kuantum fiziğinin tersinir olması nedeniyle kuantum bilgisayarda ek bellek kapasitesi gerektiriyor.

Kısacası 2000 qubiti dolanıklığa sokmak yetmez. Aynı zamanda bu işlemci kapasitesine denk depolama alanı ve RAM gerekir; çünkü bilgisayarlar farklı parçalarıyla bir bütündür. Dolayısıyla öyle problemler var ki eş CPU gücündeki klasik bilgisayarlar, bu problemleri kuantum bilgisayarlardan her zaman daha hızlı çözecektir. O zaman da kuantum bilgisayarlar bu problemlerde kullanılmayacaktır.

Kuantum üstünlük doğru tanımlanmalı

Evrende, en azından bildiğimiz kadarıyla kuantum bilgisayarların asla daha hızlı çözemeyeceği problemler vardır. Buna karşın kutrit yazısında belirttiğim gibi, tam dolanık qubitler yerine kısmi dolanıklığa dayanan genişletilmiş üçlü bitler, yani kutritlerle çalışan kuantum bilgisayarlar geliştirebiliriz. İşte bunlar kuantumla hızlı çözülmez dediğimiz bazı problemleri çok hızlı çözebilir!

İlgili yazı: İnternette teknik takip ve gözetimi önleme rehberi

 

Kısacası kuantum üstünlük ölçeklenebilir

Bizler 1) IBM’in yaptığı gibi klasik bilgisayarlarla kuantum bilgisayarları birleştiren hibrit sistemler geliştirirsek oyunun kurallarını değiştirebiliriz; çünkü hem klasik hem de kuantum bilgisayarların avantajlarından yararlanmış oluruz.

Ayrıca 2) Kutritler gibi üçlü veya daha fazla kısmi dolanıklık kurma teknikleriyle aynı anda hatasız dolanıklığa sokabileceğimiz kuantum bit sayısını qubitlerle mümkün olduğundan daha fazla artırırsak en azından bugün internette kullanılan bütün şifreleri kırabiliriz.

Öyleyse kuantum üstünlük derken işlemci, RAM, depolama alanı ve GPU gibi tüm parçalarıyla klasik bilgisayarlardan daha hızlı çalışan kuantum bilgisayarlar geliştirmekten söz ediyoruz. Bunu gerçekleştirmeye de en azından 10 yıl var. RAM gibi farklı parçaları bile kuantum dolanıklıkla çalışan; yani hibrit olmayan katıksız kuantum bilgisayar (fotonik bilgisayar) geliştirmeye ise en az 30 yıl var.

Düşünün ki flop ölçü birimini bile bilgisayar mimarisiyle işlemcisine göre 32, 64 ve 80 bit gibi farklı seviyelerde tanımlayabiliriz. Bu da kuantum bilgisayarların flop kapasitesinin, yani gerçek işlem gücünün yeniden hesaplanmasını gerektirir. Kuantum üstünlük göreceli bir konudur ve biraz da bakanın gözündedir (özellikle de kuantum bilgisayarları flopla ölçmek şart olmadığı için).

Dünya değişecek mi?

Öte yandan istihbarat örgütleri, devletler, şirketler, sıradan kullanıcılar ve hackerlar her zaman için mevcut kuantum bilgisayarlarla kırması çok zor olan kuantuma dayanıklı şifreleme teknikleri geliştirebilirler. Bu nedenle siz de istihbarat dünyası ile dünya düzeninin kuantum bilgisayarlarla hiç değişmeyeceğini ve her şeyin eskisi gibi süreceğini düşünebilirsiniz. Oysa bu da yanlış bakış açısıdır:

İlgili yazı: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?

 

Kuantum üstünlük dünyası geliyor

Nasıl ki kuantum üstünlük konusunu Google gibi abartmamak lazım; aynı zamanda kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarlar gibi Moore yasasına tabi olduğunu sanma hatasına da düşmemek lazım. Tutucu yaklaşımlar kuantum bilgisayarları olduğundan zayıf sanmanıza yol açar.

Örneğin, Türkiye’nin kuantum bilgisayarı yoksa ama Amerika’nın varsa Amerika, Türkiye’de kullanılıp da kuantum bilgisayarlara dayanıksız olan bütün şifreleri kırabilir. Kuantum bilgisayarlar en azından Türkiye’nin düzenini bozabilir ve ekonomik rekabet gücünü azaltabilir. Dolayısıyla kuantum bilgisayarlara şimdiden yatırım yapmalıyız. Dijital dönüşümde bu treni kesinlikle kaçırmamalıyız.

İlgili yazı: Evrenin Şekli Hakkında Kozmolojik Kriz Çıktı

 

Kuantum blokzincir

Yine de oyunun kurallarını ve dünya düzenini kökten değiştirecek bir özellik var: 1) Eğer kuantum bilgisayarları hızla ölçeklemenin bir yolunu bulursak, 2) gözetlemeyen kuantum interneti yaygınlaştırırsak, 3) blokzincir uygulamaları ve kriptopara uzlaşısını kuantum süper zekaya devredersek dünya düzeni de değişecektir. O zaman kuantum blokzincir gelecektir.

Elbette bugün dünyayı yöneten oligarklar teknolojinin kontrolden çıkıp kendi üstünlüklerini yok etmesine izin vermek istemezler. Öte yandan, bizlerin de kuantum bilgisayarların gerçek kapasitesini anlayabildiğimizi sanmıyorum; çünkü çok basit bir hata yapıyoruz:

Bugünkü teknolojik sınırlamalara odaklanarak kuantum bilgisayarların gerçek potansiyelini gözden kaçırıyoruz. Oysa bizzat evrendeki nesnel gerçeklik; yani gözle görülür dünya, uzun mesafeli yaygın kısmi kuantum dolanıkla ortaya çıkıyor. Kuantum fiziğinde tartışmasız kabul gören bu matematiksel konjonktüre Kuantum Darwinizm diyoruz.

Öyle ki kuantum fizikçi ve bilgisayar bilimci Seth Lloyd’un dediği gibi, bizzat evren kendi kendisinin simülasyonunu yapan bir kuantum bilgisayar olabilir. Peki bu evrenin kendi varlığının farkında olması anlamına gelir mi? İşte o kuantum zekayla süper zeki varlıklara dönüşecek olan geleceğin transhümanistlerinin yanıtlayacağı bir soru olabilir. Ancak bir ipucu var: Biz insanlar yaşadığı evrenin kısmen farkında olan bilinçli gözlemcileriz ve bu evrende ortaya çıktık. 😉

İlgili yazı: Neden Işıktan Hızlı Gidemeyiz?

 

Evrensel kuantum üstünlük

Ancak, yukarıdaki paragrafı sindirerek tekrar okursak kendimize şunu sormamız gerekir: Evren bir kuantum bilgisayar ise (yani kuantum etkileşimlerini dijital fizikle ifade edebiliyorsak) kuantum bilgisayarların asla çözemeyeceğini öne sürdüğümüz matematik problemlerini de kuantum evren türetiyor olacaktır. Bu çok teorik bir soru ve günlük hayatınızı önümüzdeki 30 yılda değiştirmeyecek.

Peki insanlık küresel ısınmaya rağmen hayatta kalmayı başarırsa önümüzdeki 60 yılda ne olacak? 2060 yılında evrende 2,5 metreküplük bir hacmin femtometre (10^-15 m) çözünürlükte simülasyonunu yapabileceğimiz bir dünyada dahi kuantum bilgisayarların çözemeyeceği problemler var diyebilecek miyiz? O zaman da kuantuma dayanıklı şifreleme tekniklerimiz olacak mı?

Dediğim gibi, bu iyimser (?) senaryoyu kuantum blokzincir yazısında ele aldım. Ancak, yazıyı bitirirken şunu söyleyebilirim: Doğru bir setup’ta, kuantum bilgisayarların geliştireceği şifreleri ancak o şifreyi geliştiren bilgisayar çözebilir. Bugünkü hibrit bilgisayar ağlarındaki teknik sınırlamaları saymazsak kuantum bilgisayarları ve kuantum interneti gözetlemek imkansızdır. İşte bu yüzden kuantum bilgisayarlar veya hibrit bilgisayarlar dünya düzenini kökten değiştirebilecektir.

İlgili yazı: Antropik ilke: Kainatta birden fazla evren var mı?

 

Kuantum üstünlük için özetlersek

• Google henüz kuantum üstünlük elde etmedi.
• Henüz kuantum bilgisayarlar klasik bilgisayarlardan açık arayla önde değil.
• Klasik bilgisayarlar kuantum bilgisayarlara özgü problemleri neredeyse onlar kadar hızlı çözüyor.
• Kuantum bilgisayarların kırmasını zorlaştıran internet şifreleri şimdilik olacak.
• Ancak, kuantum bilgisayarlar gelecekte bugün internette kullanılan bütün şifreleri kıracak.
• Kutrit kısmi dolanıklık ölçeklemesi süper kuantum bilgisayarlar yaratacak.
• En güçlü bilgisayarlar kuantum ve klasik bilgisayarları içeren hibrit sistemlerden çıkacak.
• En kırılmaz şifreler kuantum şifreler olacak.
• Henüz kuantum bilgisayarlar iş hayatında işe yarar bir problem çözemedi.
• Bununla birlikte evren bir kuantum bilgisayar olabilir.
• Kuantum blokzincir ve kuantum süper zeka uygarlığı kökten dönüştürebilir.

Biz de kuantum bilgisayarların potansiyelini yeni yazılarda görmeye devam edeceğiz. Peki evrende nesnel gerçeklik Kuantum Darwinizm’le nasıl ortaya çıkıyor? Kuantum fiziğinin zamanda simetrik olmasından yola çıkarak kuantum silgi ile zamanı silebilir ve geçmişi değiştirebilir miyiz?

Peki ya gözümüzün 12 milyar yıllık kuasar ışığıyla zamanda dolanık olması zaman makinesi ile geçmişe gitmeye izin verir mi? Bütün bunları şimdi okuyabilir ve o sırada Schrödinger’in Kedisini de kurtarabilirsiniz. Kışın tadını çıkaracağınız güzel günleriniz olsun.

Yeni başlayanlar için kuantum bilgisayar

¹Classical Simulation of Intermediate-Size Quantum Circuits
²Breaking the 49-Qubit Barrier in the Simulation of Quantum Circuits
³On “Quantum Supremacy”