Kuantum Üstünlüğü Nedir?

Kuantum üstünlüğü kısaca; en iyi donanıma sahip olan süper bir bilgisayar için bile imkânsız görünen bir sorunu çözme başarısına sahip olmaya denmektedir. Mesela bir öğrenci, karşısına gelen bir matematik problemine göz attığında, % 100 netlik ile bunu çözmek imkânsız diyebilir. Fakat eğer kendisi için o problemi çözmek zor değilse, matematiği yeterince zor bir ders olarak görmez.
Fakat burada kuantum üstünlüğünü açıklamak için zor olan matematik problemini ele almaya devam edersek; bu kişi bu zor problemi çözmek için birkaç deneme yaptığını ve matematikle ilgili bildiği tüm bilgileri denediğini varsayalım. Fakat ne kadar uğraşırsa uğraşsın bu zor problemi çözemediğinde diyelim ki bu iş için gerekli donanıma sahip bir bilgisayara müracaat etsin. Bu matematik problemini bu bilgisayar, saniyeler içinde çözer ve kişiye kendisini yetersiz hissettirir. İşte süper bilgisayarlarda bir kuantum bilgisayar karşısında yetersiz kaldıklarında aynı duruma düşerler. Dünyanın en güçlü süper bilgisayarının bile çözmek için binlerce yıl uğraşması gereken bazı karmaşık matematik problemleri bulunmaktadır. Fakat teorik olarak, bir kuantum bilgisayarı bu sorunları birkaç dakika içinde çözebilmektedir. En büyük süper bilgisayar için imkânsız görünen bir sorunu çözmenin bu başarısına kuantum üstünlüğü denmektedir.

Kuantum Bilgisayar Nedir?

Kuantum bilgisayarı, kuantum mekaniğinin yasalarına dayanan bir bilgisayardır. Bilgi işlem cihazları, akıllı telefonundan bir odanın büyüklüğünde bir süper bilgisayara kadar her şey, veri depolama ve işleme temel işlevine sahiptir. Geleneksel olarak, bilgisayarlar bilgileri 1 veya 0 ikili durumunda var olan bitler biçiminde saklarlar. Tüm veri manipülasyonları temel olarak 1s ve sıfırların bu sonsuz bitlerinin modifikasyonudur. Öte yandan, kuantum bilgisayarlar kritik bir farkla aynı birincil işleve sahiptir; üst üste binme ve dolaşma gibi kuantum mekanik özelliklerinden yararlanarak verileri depolar ve işlerler. Kuantum bilgisayarlarda, veriler genellikle kubitlere kısaltılan kuantum bitleri şeklinde saklanır. Kübitler, üst üste bindirme sayesinde aynı anda hem 1 hem de 0 olarak var olabildiklerinden, geleneksel bitlerden farklıdır. Ek olarak, kübitler birbirleriyle dolanabilir ve bir sistem gibi davranabilir; bu iki kubit evrenin zıt uçlarında tutulabilir ve yine de birbirleriyle güçlü bir korelasyon göstermektedir.

Süperpozisyon Nedir?

Her parça bozuk para olarak düşünüldüğünde, bozuk para ya kafa ya da kuyruk değerine sahip olabilmektedir. Her bit bir kafa (1) veya kuyruk (0) değeri depolayacaktır. Bunun aksine, kubitler sürekli dönen, asla yerde düz durmayan paralar olarak düşünülebilir. Bu dönüş durumunda, madalyonun bir kafa mı yoksa kuyruk mu olduğunu asla kesin olarak söylemek mümkün değildir. Bu nedenle, bir kübit aynı anda bir kafa (1) ve kuyruk (0) değeri depolayabilmektedir. Esasen, bu süperpozisyondur.

Kuantum Dolaşıklığı Nedir?

Şimdi, bu paralardan ikisinin daima aynı ya da tam tersi ile ilişkili bir sonuç sergilediği düşünüldüğünde, eğer A parası kafaları gösteriyorsa, B parası otomatik olarak kafaları göstermektedir. Veya eğer birbirleriyle ters ilişki kuruyorlarsa, A parası kafaları gösterdiğinde, B parası otomatik olarak kuyruk göstermektedir. Kuantum parçacıklarının birbirleriyle karışması ve yıldızlararası mesafelerde bile güçlü bir korelasyon sistemi gibi davranma özelliğine kuantum dolanması denmektedir. Einstein bu mülkü ünlü olarak uzaktan ürkütücü eylem olarak nitelendirmiştir. Bunlar ve diğer birkaç ürkütücü kuantum özelliği, her gün kuantum bilgisayarlarda en karmaşık hesaplamaların bazılarını yapmak için kullanılmaktadır. Peki, en güçlü süper bilgisayarların bile çözmesi imkansız görünen bu tuhaf hesaplamalar nelerdir?

Shor’un Algoritması Nedir?

En ünlü örneklerden biri, teorik olarak modern şifreleme sistemlerin çoğunu kırabilen bir algoritma olan Shor’s Algorithm’dir. Teoride göründüğü kadar kolay değildir. Shor’un Algoritmasının ayrıntılarına girmeden önce, en azından Shor’un algoritmasının yararlı olabileceği bir bağlam vermek için kriptografinin temellerini bilmek önemlidir. Şifreleme temel olarak verileri karıştırmanın bir yoludur, böylece meraklı gözler paylaşılanları deşifre edememektedir. Örneğin James Bond, Goldfinger’in gizli ininden çaldığı bazı gizli dosyaları aktarmak istiyor. Dosyaları M ile paylaşmadan önce, dosyaları 500+ basamaklı bir sayı ile kilitleyere’ tanınmayacak şekilde şifreler. M’nin dosyaların şifresini çözmesi için, bu karmaşık sayının en önemli faktörleri olacak bir anahtara ihtiyacı vardır. Asal çarpanlara ayırmanın nasıl çalıştığını herkes bilir. Ancak, en fazla 2 veya belki 3 basamaklı sayıları ele alınarak yapılmıştır. 500 basamaklı bir sayıyı çarpanlarına ayırmak ciddi bir iştir! James Bond’un bu gizli dosyalara koyduğu kiliti kırmak istendiğinde, 500 basamaklı sayının her asal faktörünü tahmin etmeye çalışılmalıdır. Aslında buna bakıldığında bu imkânsız bir durumdur. Keyfi tahminler yapan bir süper bilgisayar bile, bu kilidi kırmada başarılı olmak için binlerce yıl harcamalıdır.
Shor’un algoritması, tahmini biraz daha doğru hale getirmektir. Diyelim ki bilgisayar 7 sayısını tahmin ediyor olsun. Bunun bir faktör olduğunu veya olmadığını görebilmek mümkündür. Bu bilgi, Shor’un algoritmasında, bir sonraki sayı için daha eğitimli bir tahmin yapmak için kullanılmaktadır; bu, asal bir faktör olabilmektedir. Bu hala yinelemeli bir süreç olmakla birlikte, görevde başarı bulmak için gereken süreyi önemli ölçüde azaltmaktadır. Bir zamanlar 2000 yıl sürmüştür, Shor’un algoritması 500’de bunu yapabilirdi. İdeal bir zaman aralığı gibi görünmese ama % 75’lik bir azalma büyük bir ilerlemedir.

Kuantum Üstünlüğü Nedir?

Peter Shor, algoritmasının hiçbir zaman 300 yıl boyunca çalışan ana süper bilgisayar tarafından birincil faktörler aramasını istememiştir. Shor, karmaşık laboratuvar problemlerini çözmeye odaklandığı AT&T Bell Labs’ta bir araştırmacı olarak algoritma ile gelmiştir. Çok uzak bir gelecekte, insanların algoritmasını makul bir zaman dilimi içinde yürütecek kadar güçlü bir bilgisayar tasarlayabileceğini hayal etmiştir. Bir kuantum bilgisayar, mevcut bilgi işlem teknolojisinin çözmesi neredeyse imkânsız olan Shorlar gibi karmaşık matematiksel algoritmaları yürütebildiği gün, kuantum üstünlüğünü başaracaktır. Google ve IBM gibi şirketler, kuantum bilgi işlemin geliştirilmesine değerli kaynaklar ayırırken, başarılı bir kod kırma güç merkezi, Shor hayal edilen kadar uzak olmayabilmektedir. Aslında, Google’ın kuantum bilgisayarının, benzer bir şekilde, yine de karmaşık, karmaşık bir matematik problemini en hızlı klasik süper bilgisayardan daha hızlı kırarak kuantum üstünlüğüne ulaştığı söylenmektedir. Çözülmesi 10.000 yıl süren bir süper bilgisayar aldığı tahmin edilen sorun, Google’ın kuantum bilgisayarı tarafından 3 dakika 21 saniye içinde çözülmüştür.
Kuantum üstünlüğüne ulaşmak büyük bir sorundur. Google’ın başarısı, bir kuantum işlemcinin klasik bir bilgisayarın yapamayacağı bir şeyi başarıyla çözdüğünü göstermektedir. Bununla birlikte, Google’ın makinesi tek bir karmaşık sorunu çözmek için üretilmiştir. Bu gerçeğin önemi basittir: bu sorunun çözülmesinin pratik bir uygulaması bulunmamaktadır. Shor’un algoritması gibi gerçek dünyadaki karmaşıklıkları çözebilecek yakın gelecekte var olacak teknolojiler için bir kavram kanıtı görevi görmektedir. Ayrıca, Shor’un algoritmasını kırmak, popüler blogların size inandığı için tüm şifrelemenin sonu olmayabilmektedir. Herhangi bir kilidi kırabilecek evrensel bir anahtar yapmak, asla daha iyi bir kilit tasarlanmayacağı anlamına gelmemektedir. Geleceğin kuantum bilgisayarları, kuantum üstünlüğünü verenler, kuantum şifrelemeye yol açabilmektedirler, bu da daha güvenli olacak ve Shor’un algoritmasını geçmişin ilginç bir teorik konseptinden başka bir şey haline getirmeyecektir.

Kaynakça:
https://www.bbva.com/en/what-is-quantum-supremacy/
https://fortune.com/2019/09/20/what-is-quantum-supremacy/

Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu

Yorum Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

This div height required for enabling the sticky sidebar