Laptop Boyunda Optik Kuantum Bilgisayar
Fizikçiler laptop boyunda olan ve PC’den milyon kat hızlı çalışan optik kuantum bilgisayar geliştiriyor. Elektrik yerine ışıkla çalışan ve kristalden üretilen fotonik işlemciler sayesinde, bilgisayarın düzgün çalışması için büyük soğutma dolaplarına da gerek kalmayacak. Kuantum laptop ne zaman geliyor?
Neden kuantum bilgisayar?
Süpermarket kadar yer kaplayan pahalı süper bilgisayarlar kullanmak yerine, kucağınızdaki laptop ve elinizdeki akıllı telefonun süper bilgisayar kadar hızlı olmasını istemez misiniz? Bazı alanlarda PC’den milyon kat hızlı olan kuantum laptop ve kuantum telefonlar süper bilgisayar hızında çalışacak.
Böylece Star Wars: Rogue One filmindeki bütün özel efektleri ve animasyonları kucağınızdaki laptopla bir günde üretebileceksiniz. Şimdiki film yapımcılarının yaptığı gibi, yüzlerce bilgisayardan oluşan dev sunucu çiftliklerini milyon dolar ödeyerek en az iki ay kiralamanız gerekmeyecek.
İlgili yazı: Kuantum Bilgisayar Devrimi >> Fizikçiler ilk kez bir atomun yerini tam olarak tespit etti
Yaşam kalitesini artırmak
Kuantum bilgisayarlar birkaç günde milyonlarca molekülü test ederek kansere karşı en etkili ilaçları geliştirecek.
Küçük ve hızlı kuantum işlemciler, ilaçları hayvanlar üzerinde test etmeden, sadece bilgisayar simülasyonlarıyla analiz edecek. Böylece yeni tedavilerin 20 yılda değil de 2 yılda kullanıma girmesini sağlayacak.
Kuantum bilgisayarların üstün öngörü yeteneği sayesinde, 30 günlük doğru hava tahminleri yapmak mümkün olacak. Tabii gizli servisler de bir yandan kırılamayan kuantum şifreler geliştirirken, diğer yandan internetteki mevcut bütün şifreleri kıracak.
Ancak, bunun için önce laptop kadar hızlı ve güvenli çalışan, sonra da laptoptan milyon kat hızlı çalışan pratik kuantum bilgisayarlar gerekiyor.
İlgili yazı: İnternetinizi uçuracak en iyi 10 modem
Neden optik kuantum bilgisayar?
En kullanışlı, hızlı ve pratik bilgisayar elektrik yerine ışıkla çalışan optik kuantum bilgisayar da ondan: Örneğin, Google bünyesinde kuantum bilgisayar geliştiren D-Wave şirketinin en yeni kuantum işlemcisi manyetik halkalama yöntemiyle çalışıyor.
Ancak elektrikle çalışan kuantum bilgisayarlar büyük, hantal, ağır ve pahalı. Bunun nedeni ise Heisenberg’in belirsizlik ilkesi:
Kuantum bilgisayarlarda kullanılan elektron ve fotonlar dış etkenlere, özellikle de ölçüm ve gözlemlere karşı son derece hassas. Bu parçacıklar o kadar duyarlı ki kuantum bilgisayara bir soru sorup çıktısını alma işlemi bile bilgisayarın çökmesine yol açabiliyor.
İlgili yazı: Kuantum internet Gizlilik ve Şifrenizi Koruyacak
Kimse bozuk bilgisayar istemez
D-Wave şirketi bu yüzden fizikçilerin yoğun eleştirisine maruz kaldı. Hatta gerçek bir kuantum bilgisayar geliştirmek yerine, sıradan bir bilgisayarı insanlara kuantum bilgisayar olarak tanıtmakla bile itham edildi.
Ancak, D-Wave gerçekten kuantum bilgisayar geliştirdiğini öne sürdü ve son iki yılda yaptığı testlerle bilgisayarın kuantum düzeyinde çalıştığını kanıtlayan belgeler sundu. Oysa bir sorun var: D-Wave üretimi Vezüv-2 kuantum bilgisayar ancak -270 dereceye kadar soğutulunca düzgün çalışabiliyor.
Öyle ki Vezüv’ün avuç içi büyüklüğünde bir işlemcisi var, ama soğutma sistemi oturma odası kadar büyük ve kamyonet kadar ağır. Kuantum bilgisayarların pratik ve kullanışlı olması için laptop kadar küçülmesi gerekiyor.
İlgili yazı: İnternette teknik takip ve gözetimi önleme rehberi
Nasıl yaparız?
Elektrik yerine ışıkla çalışan optik kuantum bilgisayar yaparsak hem sistem az elektrik tüketir, hem de aşırı hassas olmadığı için soğutmaya gerek kalmaz. İşte bilim insanları bu konuda ilerleme kaydettiler ve kuantum sistemlerin tam olarak ne zaman bozulacağını öngörmenin yolunu buldular.
Böylece gelecekteki kuantum bilgisayarların çevreden gelen parazit (gürültü sinyalleri) nedeniyle nasıl bozulacağını önceden bileceğiz. Kısacası optik kuantum bilgisayara silinme tehlikesi olmadan, kalıcı veri kaydedebileceğiz. Tıpkı laptopa kaydettiğiniz bir Word dosyası gibi.
İlgili yazı: Çin’den Kuantum İnternet Uydusu
Balık hafızalı
Bugüne dek üretilen bütün kuantum bilgisayarlar balık hafızalı. Veriyi işliyor ve cevabını veriyorlar, ama problemi çözer çözmez unutuyorlar. Bu da hiç depolama alanı olmayan, sadece RAM ile çalışan bir laptopa benziyor. Kuantum bilgisayarlar işte o kadar unutkanlar ve kapatınca içindekiler siliniyor.
Bunun fizikte özel bir nedeni var: Kuantum fiziğinde elektron ve foton gibi bir parçacığın davranışını önceden kesin bilemiyoruz; ama yüzde 60 olasılıkla sağdan ve yüzde 40 olasılıkla soldan gideceğini önceden kesin olarak bilebiliyoruz; yani olasılıkları yüzde 100 kesinlikle tahmin ediyoruz.
Fizikçiler de bundan yola çıkarak optik kuantum bilgisayar sistemlerine hemen silinmeyen ve bozulmayan kalıcı veri kaydetmenin bir yolunu buldular.
Bu yüzden gelecekteki kuantum bilgisayarlar balık hafızalı olmayacak ve kuantum laptopu yanımızda taşırken azıcık sallandığında sistem çökmeyecek. 🙂 Şimdi tutarlı optik kuantum bilgisayar prototiplerinin nasıl çalıştığına bakalım.
İlgili yazı: Bilimsel Okuryazarlık Düzeyini Ölçmenin 2 Yolu
Kuantum falcılar
Fizikçiler bir kuantum bilgisayarın aşırı hassasiyetten dolayı ne zaman çökeceğini önceden bilme açısından değme falcıya taş çıkartıyor; çünkü yer sarsıntısını son dakikada haber veren deprem tahmin cihazlarının tersine, sistemin ne zaman bozulacağını birkaç dakika önceden öğreniyorlar.
Kuantum bilgisayarlar birkaç saniyede bozulabilir; ama siz bunu birkaç dakika önceden bilirseniz gerçek zamanlı olarak çalışan ve hatalarını anlık düzelten kuantum bilgisayarlar yapabilirsiniz. Bunlar en az bir laptop kadar sağlam olur.
Düşünün: Evdeki laptopun ne zaman bozulacağını önceden biliyorsunuz. Laptoplar, televizyonlar, telefonlar ve beyaz eşyada böyle bir erken uyarı sistemi olsa hayatımız çok kolaylaşırdı. Zaman ve iş kaybı olmazdı, tamir masrafları da azalırdı.
İlgili yazı: Stephen Hawking ve Sandalyesi Nasıl Çalışıyor?
Kuantum sihir
Avustralya’daki Sydney Üniversitesi’nden Michael J. Biercuk ve ekibi, kendini hatalara karşı izleyen ve gerçek zamanlı olarak düzelten akıllı kuantum bilgisayar devreleri geliştiriyor.
Gerçi belirsizlik ilkesi nedeniyle, kuantum sistemlerdeki qubitlerin hangisinin bozulacağını bilemiyoruz; ama ne zaman bozulacağını öngörüyoruz. Qubitlere süperpozisyon ile veri kaydı yaptığımız için hangisinin bozulacağını bilmemize de gerek yok. Ne zaman bozulacağını bilmek yeterli (aşağıda anlatıyorum).
İlgili yazı: IBM Kuantum Bilgisayar Yaptı >> İnternette üniversitelerin kullanımına açtı
Aradaki fark
Bir telefonun hangi parçasının ne zaman bozulacağını bilmek için her parçaya basit bir sensör takar ve işletim sistemine özel bir uygulama yüklersiniz; bu kadar basit. Bugün İtalyan demiryollarındaki trenlere takılan tekerleklerin ne zaman yıprandığını gösteren sensörler var. Peki neden bu özellik telefonlarda yok?
Açıkçası üretici malını satıp unutuyor ve asıl parayı yedek parça ile tamir sürecinden kazanıyor. Üretici doğrudan kazanmasa da bayilik ve teknik servis sektörü bundan para kazanıyor. Bu özellikle otomotiv üreticilerinin ana gelir kapısını oluşturuyor. Dolayısıyla tüketicinin ihtiyaçları pek dikkate alınmıyor.
Oysa kuantum sistemler saniyenin trilyonda birinde gerçekleşen rastgele etkileşimlerle birdenbire bozuluyor. Bu yüzden sistemin ne zaman bozulacağını bilmek büyük marifet: Bugüne dek doğru düzgün çalışan bir kuantum bilgisayar geliştirilememiş olmasının sebebi de bu konudaki eksikliğimizdi.
Biercuk diyor ki “Cep telefonlarındaki parçaların büyük kısmının zamanla bozulması gibi kuantum sistemler de bozuluyor. Ancak, kuantum devrelerin kullanım ömrü sadece birkaç saniye. İki saniyede bozulan bilgisayarı kim ister?”
İlgili yazı: VPN Engelleme Başladı >> VPN engellemeyi aşmak için Stunnel kullanın
Nasıl çalışıyor?
Optik kuantum bilgisayar sistemlerindeki transistorlar ve mantık kapıları sadece 1 ve 0 (açık ve kapalı) değerlerini almıyor. Buna ek olarak 0,13 gibi ara değerleri de alıyor; yani yarı açık yarı kapalı ve hatta hem açık hem kapalı gibi sıra dışı değerleri! Kuantum fiziğinde buna süperpozisyon deniyor.
Bu nedenle kuantum bilgisayarlardaki veri birimlerine bit değil, qubit deniyor. Yine aynı sebeple kuantum bilgisayarlar seri olarak değil, tümüyle paralel olarak çalışıyor. Tek çekirdekli bir kuantum bilgisayar işlemcisi 1000 çekirdekli işlemci kadar hızlı çalıştığı için PC’den milyon kat hızlı oluyor (şimdilik kağıt üzerinde).
İlgili yazı: Sonsuz Hafıza >> Yeni 5D optik diskte 360 terabayt veriyi 14 milyar yıl sakla
Büyük veri
Bugün büyük veri dijital dönüşüm, endüstri 4.0, dijital pazarlama, e-ticaret, müşteri memnuniyeti gibi alanlarda hayatımızın ayrılmaz bir parçası oldu.
Şirketler satışlarını artırmak, Google ve Facebook da kullanıcılara ilgi alanlarına yönelik reklamlar göstermek için büyük veriden yararlanıyor. Büyük veriyi analiz ederek müşteri davranışını tahmin etmeye çalışıyor.
İlgili yazı: Renk Körlüğünü Düzelten Gözlük
Kuantum büyük veri
Fizikçiler de optik kuantum bilgisayar sistemlerinin ne zaman bozulacağını tahmin etmek için bu algoritmaları ve analiz yazılımlarını kullanmaya karar verdi.
Ne de olsa ellerinde yeterince büyük kuantum veri vardı: CERN parçacık hızlandırıcısındaki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ndan Amerika’daki Fermilab’e katar birçok bilimsel araştırma kurumunun kuantum deney verilerini aldılar ve bunları bilgisayara yüklediler.
Ardından simülasyon yaparak bunu büyük veri algoritmalarıyla analiz ettiler. Sonuçta yazılımlar kuantum sistemlerin ne zaman bozulacağını rapor etti. Daha sonra raporları gerçek kuantum bilgisayarlarda test ettiler ve gerçekten de qubitlerin ne zaman bozulacağını öngörmeyi başardılar.
İlgili yazı: Atomları dünya gözüyle görmek
Ne işe yarayacak?
Biercuk ve meslektaşları bu verilerden yola çıkarak klasik bilgisayar kadar uzun ömürlü olan kuantum bilgisayar üretecekler.
Normalde kuantum sistemleri gözlemlemek bile bozulmalarına yol açıyor. Ancak, bilim insanları mevcut kuantum deneylerine ait büyük veriyi önceden analiz ettikleri için gerçek kuantum bilgisayar deneylerini izlemelerine gerek kalmadı. Sadece tahmin sonuçlarını deneylerle karşılaştırdılar.
Heisenberg’in belirsizlik ilkesi nedeniyle hangi qubitin bozulacağını tahmin etmeleri imkansızdı; ama tüm kuantum bilgisayarlar için geçerli olmak üzere, qubitlerin ne zaman bozulacağını öngörmeyi başardılar.
İlgili yazı: Mobil İnternette Video İzleme Rehberi
Yakın gelecek
Biercuk tutarlı kuantum devreler geliştirmek için daha kırk fırın ekmek yemeleri gerektiğini söylüyor: “Öncelikle öngörü yetmez. Kuantum bilgisayarın ne zaman bozulacağını bilmenin yanı sıra, qubitleri bozulmadan düzeltmenin de bir yolunu bulmalıyız.”
“Kısacası bilgisayarı bozmadan gerçek zamanlı olarak müdahale etmeyi ve sistemi anında düzetmeyi öğrenmemiz gerekiyor. Reklam hedefleme algoritmalarının bir benzerini kullanarak bu konuda önemli adımlar attık.” Öyleyse biz de optik kuantum bilgisayar sistemleriyle bunu nasıl yapacaklarını görelim.
İlgili yazı: Evlere 10 Kat Hızlı Optik Wi-Fi
Fotonik bilgisayarlar
Işık fotonlardan oluşuyor, optik kuantum bilgisayarlar ışıkla çalışıyor ve fizikçiler tek fotonla bile düzgün çalışan optik kuantum bilgisayar yapmayı başardılar. Elbette bu sadece bir prototip ve tam ölçekli kuantum laptop üretmemize en az 20 yıl var.
Oysa daha geçen yıl sorsaydınız kuantum laptoplara 30 yıl var derdim. Bu da teknolojik tekilliğe yaklaşırken ne kadar hızlı ilerleme kaydettiğimizi gösteriyor. Nitekim Princeton Üniversitesi fizikçileri, tek bir elektronun sahip olduğu kuantum bilgisini yine tek bir fotona aktarmayı becerdiler.
İlgili yazı: AIDS’e Kesin Çare >> Amerikalı doktorlar HIV virüsünü insan DNA’sından sildi
Bu ne demek?
Bu bırakın atomdan atoma kayıt yapmayı, bir temel parçacıktan başka bir temel parçacığa kayıt yapmak demek (parçacıkların sayısı atomlardan fazla olduğu için daha küçük sürücülere daha büyük veri kaydedebileceğiz). Sonuçta optik kuantum bilgisayar da fiziksel klavye, anakart ve sanal klavye gibi elektrikle; yani elektron akışıyla çalışan devreler kullanmak zorunda.
Bunun için de elektronik arayüz devrelerini fotonik kuantum bilgisayar devrelerine bağlamamız gerekiyor. Bu teknoloji bizi ışıkla çalışan optik bilgisayar işlemcileri geliştirmeye bir adım daha yaklaştırıyor.
İlgili yazı: Işınla Beni Scotty! >> İnsan ışınlama ne zaman?
Neden kopyalama yerine transfer?
Işınla Beni Scotty ve Kuantum Fiziğinde Klonlama Yasak yazılarında anlattığım gibi kuantum veriyi kopyalamak imkansız. Ancak veriyi silip başka bir yere aktarabiliyoruz. Qubitlerin garipliklerinden biri de bu.
Aslında bu sayede interneti gözetleyerek kişisel verileri çalmayı önleyen bir teknoloji geliştiriyoruz; çünkü kuantum verileri çalıp başka bir bilgisayara kopyalamak imkansızdır.
İlgili yazı: Dünyanın En Hızlı Kamerası Saniyede 100 Milyar Kare Çekiyor
En önemli yazı
Bugüne dek size kuantum bilgisayarların çalışma prensiplerini ve ne işe yaradıklarını anlattım. Ancak, ilk defa optik kuantum bilgisayarların nasıl çalıştığını anlatıyorum. Sonuçta Stargate SG-1 dizisinde geçen ve fotonik kristallerden üretilen kuantum işlemcilerin bir benzerini 20 yılda üretmeyi başaracağız.
Princeton Üniversitesi’nden Xiao Mi konuyu şöyle açıklıyor: “Artık bir fotonun kuantum durumunu başka bir parçacığa aktarabiliyoruz. Bunu daha önce yapamadık ve yarıiletken devreler kullanan sıradan bir bilgisayarı kuantum bilgisayara bağlamayı başaramadık; çünkü kuantum bilgisi kopyalamadan önce siliniyordu.”
“Oysa yakın gelecekte kuantum bilgisayarlara kalıcı veri kaydetme sorununu çözeceğiz. Sadece gerekli teknolojiyi geliştirip seri üretime geçmemiz gerekiyor.”
İlgili yazı: Kuantum Fiziğinde Klonlama Yasak
Kuantum internet rekabeti
Çinliler, Amerikalıların interneti gözetlemesi ve devlet yazışmalarını izlemesini önlemek için süper hassas kuantum internet geliştirdiler. Hatta uzaya kuantum internet uydusu fırlatıp test ettiler. Sonuç olarak kuantum fiziğinde bilgi kopyalamak imkansız ve kuantum interneti gözetlemeye kalktığınız zaman bağlantı kopuyor. Bu da karşı tarafı gözetlendiği konusunda uyarıyor.
Elbette Amerika’nın buna seyirci kalması beklenemezdi ve Boeing ile General Motors’un sahibi olduğu HRL Laboratories şirketi hemen kendi kuantum bilgisayar teknolojisini geliştirdi.
İlgili yazı: Hiperküp: Evren Neden Üç Boyutlu?
Nasıl çalışıyor?
Şirketin ürettiği özel kuantum çip hem elektronu hem de kayıt yapılacak fotonu aynı yarıiletken devrede tuzağa düşürüyor (böylece kayıt yapılacak kuantum durumunun aşırı hassasiyetten bozulmasını önlüyor).
Birkaç kat silikon ve silikon-germanyum tabakasından oluşan kuantum çip metrenin milyarda biri kadar ince olan bakır tellerle besleniyor. Nanometre kalınlığındaki teller çipe elektrik sağlıyor ve böylece elektronik devreler fotonik kuantum bilgisayara bağlanmış oluyor.
Böylelikle fizikçiler (prensipte) optik kuantum bilgisayar sistemlerini sıradan bir laptopla kullanma yeteneğine kavuşmuş oluyor.
İlgili yazı: Akıllı Telefona Superman Görüşü >> Duvarın arkasını gören kamera
Süperpozisyon ve tuzaklama
Tuzaklama sistemi kaydı yapılacak elektronu hem tuzaktaki sol çukurda, hem sağ çukurda, hem de iki çukurda birden tutuyor (buna elektronunun kararsız kuantum süperpozisyon bilgisi deniyor).
Ardından süperpozisyon bilgisini içeren qubiti bozulmadan fotona aktarıyor (kolaylaştırmak için kaydediyor diyelim). Qubitler sadece süperpozisyon durumunda çalıştığı için bunu başarmak çok önemli.
İlgili yazı: Hormonlu Satürn ve 200 Kat Büyük Halkaları
Neden foton?
Açıkçası fotonlar çevresel etkenlere karşı o kadar hassas değiller ve qubitleri bozulmadan daha uzun süre saklayabiliyorlar. Bu nedenle fotonik kuantum bilgisayar üretmek elektronik kuantum bilgisayar üretmekten prensipte daha kolay. Üstelik daha az elektrik tüketiyor ve fazla ısınmıyor.
Biz de optik kuantum bilgisayar derken, aslında fotonik kristal devrelerle ve fiber optik kablolarla çalışan kuantum bilgisayarları kast ediyoruz.
Henüz bunları üretmedik ama ilk prototip devreleri imal ettik. Araştırmacılar, Stargate dizisinde Goa’uld olarak adlandırılan uzaylıların optik kuantum bilgisayarların bir benzerini geliştirmek için çalışmalarını sürdürüyorlar.
Günlük hayatta kuantum bilgisayar
1Prediction and real-time compensation of qubit decoherence via machine-learning
2Strong coupling of a single electron in silicon to a microwave photon
