Aracılığıyla paylaş

Kuantum bilişimi nedir?

Kuantum bilişimi, gezegenimizin çevre, tarım, sağlık, enerji, iklim, malzeme bilimi ve daha fazlası gibi alanlardaki en büyük zorluklarından bazılarını çözme sözünü tutar. Bu sorunların bazıları için, sistemin boyutu büyüdükçe klasik bilgi işlem giderek daha fazla zorlanıyor. Ölçeklendirilecek şekilde tasarlandığında kuantum sistemlerinin büyük olasılıkla günümüzün en güçlü süper bilgisayarlarını aşan özellikleri olacaktır.

Bu makalede kuantum bilişiminin ilkeleri, klasik bilgi işlemle karşılaştırması ve kuantum mekaniği ilkelerini nasıl kullandığı açıklanmaktadır.

Kuantum bilişiminin geçmişi

Kuantum bilgisayar fikri, klasik bir bilgisayarda kuantum sistemlerinin simülasyonunu gerçekleştirmenin zorluğundan ortaya çıktı. 1980'lerde Richard Feynman ve Yuri Manin bağımsız olarak kuantum olaylarını temel alan donanımın kuantum sistemlerinin simülasyonu için geleneksel bilgisayarlara göre daha verimli olabileceğini önerdiler.

Kuantum mekaniğinin benzetimini yapmanın neden zor olduğunu anlamanın birçok yolu vardır. En basiti, maddenin kuantum düzeyinde çok sayıda olası yapılandırmada (durum olarak bilinir) olduğunu görmektir.

Kuantum durumları üstel olarak büyür

40 olası konumun bulunduğu ve her bir konumda elektronun olup olamayacağı bir elektron sistemi düşünün. Bu nedenle sistem 2^$ yapılandırmadan {40}$birinde olabilir (her konumda elektron veya boş olmak üzere iki olası yapılandırma vardır). Elektronların kuantum durumunu geleneksel bir bilgisayar belleğinde depolamak için 130 GB'den fazla bellek gerekir! Olası konum sayısını 41'e artırırsanız, $2^{41}$ iki kat fazla yapılandırma olur ve bu da kuantum durumunu depolamak için 260 GB'tan fazla bellek gerektirir.

Konum sayısını artırmaya yönelik bu oyun süresiz olarak oynanamaz. Birkaç yüz elektronda sistemi depolamak için gereken bellek evrendeki parçacıkların sayısını aşıyor; bu nedenle, geleneksel bilgisayarlarda kuantum dinamiği simülasyonu yapmaya yönelik bir umut yoktur.

Zorluğu fırsata dönüştürme

Bu üstel büyüme gözlemi, bilim adamlarının güçlü bir soru sormasına neden oldu: Kuantum sistemlerinin simülasyonunu tam olarak aynı fizik yasalarından yararlanan bir makine kullanarak yapabilir miyiz? Bu makineyi bizim için önemli olan diğer görevleri araştırmak için kullanabilir miyiz? Bu sorular Quantum Computing'in doğuşunu sağladı.

1985'te David Deutsch, bir kuantum bilgisayarın herhangi bir fiziksel sistemin davranışını verimli bir şekilde simüle edebileceğini gösterdi. Bu keşif, kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarlardaki karmaşık sorunları çözmek için kullanılabileceğinin ilk göstergesiydi.

1994 yılında Peter Shor, bilinen en iyi klasik algoritmadan üstel olarak daha hızlı çalışan tamsayıları çarpanlara ayırmaya yönelik bir kuantum algoritması keşfetti. Çarpanları çözmek, RSA ve Eliptik Eğri Şifrelemesi dahil olmak üzere e-ticaretin güvenliğini temel alan ortak anahtar şifreleme sistemlerimizin birçoğunun kırılmasını mümkün kılar. Bu keşif, kuantum bilişimine büyük bir ilgi uyandırdı ve diğer birçok sorun için kuantum algoritmalarının geliştirilmesine yol açtı.

Kübit nedir?

Bitler klasik bilgi işlemdeki bilgilerin temel nesnesi olduğu gibi kubitler de (kuantum bitleri) kuantum bilişimindeki bilgilerin temel nesnesidir.

Bir kübit, kuantum bilişimdeki temel bilgi birimidir. Kuantum bilişimde bitler, klasik bilgi işlemde oynadıklarına benzer bir rol oynar, ancak çok farklı davranırlar. Klasik bitler ikilidir ve yalnızca 0$ veya $1$ konumunu $tutabilir, ancak kubitler tüm olası durumların süper konumunu tutabilir. Bu, kubitin 0, 1 veya ikisinin herhangi bir kuantum süper konumunda olabileceği anlamına gelir. 0 ve 1'in sonsuz olası süper konumları vardır ve bunların her biri geçerli bir kubit durumudur.

Kuantum bilişiminde bilgiler, 0 ve 1 durumlarının süper pozisyonunda kodlanır. Örneğin, 8 bit ile 256 farklı değeri kodlayabilirsiniz $, ancak 256$ değeri bir arada içeremediğinden kodlamak için bunlardan birini seçmeniz gerekir. 8 kubit ile 256 değeri aynı anda kodlayabilirsiniz. Bu davranış, bir kubitin tüm olası durumların süperpozisyonunda olmasından kaynaklanır.

Daha fazla bilgi için bkz . Kuantum bilişiminde kubit.

Kuantum bilgisayar oluşturma gereksinimleri nelerdir?

Kuantum bilgisayar, kuantum mekanik olaylarından yararlanan bir bilgisayardır. Kuantum bilgisayarlar, bilgileri depolamak ve hesaplamak için maddenin kuantum durumlarını kullanır. Kuantum olaylarını klasik bilgisayarlardan daha hızlı veya daha iyi çalışması için "programlayabilirler".

Kuantum bilgisayar oluşturmak, kuantum mekaniğinin derin bir şekilde anlaşılmasını ve kuantum sistemlerini en küçük ölçeklerde kontrol edebilmeyi gerektiren karmaşık bir mühendislik zorluğudur. Kuantum bilgisayar oluştururken kubitlerin nasıl oluşturulacağını ve bunların nasıl depolanıp işlenip işlenmeyeceğini ve hesaplamaların sonuçlarının nasıl okunacağını düşünmek önemlidir.

Bu nedenle bilim adamları ve mühendisler kuantum bilgisayarları oluşturmak için farklı kubit teknolojileri üzerinde çalışmaktadır, çünkü her teknolojinin kendi avantajları ve dezavantajları vardır. En çok kullanılan kubit teknolojileri, kapana kısılmış iyon kubitleri, süper iletken kubitler ve topolojik kubitlerdir. Bazı kubit depolama yöntemleri için kubitleri barındıran ünite, tutarlılıklarını en üst düzeye çıkarmak ve girişimi azaltmak için mutlak sıfıra yakın bir sıcaklıkta tutulur. Diğer kubit barındırma türlerinde, titreşimleri en aza indirmeye ve kubitleri kararlı hale getirmeye yardımcı olmak için bir vakum haznesi kullanılır. Sinyaller kübitlere mikrodalgalar, lazer ve voltaj gibi çeşitli yöntemler kullanılarak gönderilebilir.

Kuantum bilgisayar için beş ölçüt

İyi bir kuantum bilgisayar şu beş özelliğe sahip olmalıdır:

  1. Ölçeklenebilir: Çok sayıda kubit içerebilir.
  2. Başlatılabilir: Kubitleri belirli bir duruma (genellikle 0 durumu) ayarlayabilir.
  3. Dayanıklı: Kubitleri uzun süre süper pozisyon durumunda tutabilir.
  4. Evrensel: Kuantum bilgisayarın mümkün olan her işlemi gerçekleştirmesi gerekmez, yalnızca evrensel küme olarak adlandırılan bir işlem kümesi gerekir. Evrensel bir kuantum işlemleri kümesi öyledir ki, başka herhangi bir işlem, onların bir dizisine ayrıştırılabilir.
  5. Güvenilir: Kubitleri doğru bir şekilde ölçebilir.

Bu beş ölçüt genellikle kuantum hesaplaması için Di Vincenzo ölçütleri olarak bilinir.

Bu beş ölçüte uyan cihazlar oluşturmak, insanoğlunun karşılaştığı en zorlu mühendislik zorluklarından biridir. Azure Quantum, farklı kubit teknolojilerine sahip çeşitli kuantum bilgi işlem çözümleri sunar. Daha fazla bilgi için bkz . Azure Quantum sağlayıcılarının tam listesi.

Kuantum olaylarını anlama

Kuantum olayları, kuantum bilişimini klasik bilgi işlemden ayıran temel ilkelerdir. Bu olguları anlamak, kuantum bilgisayarların nasıl çalıştığını ve neden böyle bir potansiyele sahip olduklarını kavramak için çok önemlidir. En önemli iki kuantum olayı süper pozisyon ve dolanıklıktır.

Süperpozisyon

Oturma odanızda egzersiz yaptığınızı düşünün. Tamamen solunuza ve ardından tamamen sağınıza dönün. Şimdi aynı anda hem solunuza hem de sağınıza dönün. Bunu yapamazsınız (en azından kendinizi ikiye bölmeden). Elbette aynı anda bu iki durumda bulunamazsınız, yani aynı anda hem sola hem de sağa bakamazsınız.

Ancak bir kuantum parçacığıysanız, belirli bir sola bakma olasılığınız VE belirli bir sağa bakma olasılığınız vardır. Bunun nedeni süper konum (uyumluluk olarak da bilinir) olarak bilinen bir olaydır.

Kuantum bilişiminin gücünü sağlayan süper pozisyon durumlarında yalnızca iyonlar, elektronlar veya süper iletken devreler gibi kuantum sistemleri bulunabilir. Örneğin, elektronlar kendi "sola veya sağa dönük" özelliği olan spin adlı kuantum parçacıklarıdır. İki döndürme durumu, yukarı ve aşağı dönüş olarak adlandırılır ve bir elektronun kuantum durumu, yukarı ve aşağı dönüş durumlarının süper pozisyonudur.

Daha fazla bilgi edinmek ve süperpozisyon ile alıştırma yapmak istiyorsanız, Eğitim modülü: Q#süperpozisyonu keşfetmeye göz atın.

Dolaşıklık

Dolanıklık , iki veya daha fazla kuantum sistemi arasındaki kuantum bağıntısıdır. İki kubit dolanık hale geldiğinde, birbiriyle ilişkili hale gelir ve tek tek kubitlerin kuantum durumu bağımsız olarak tanımlanamaz çünkü durumlarının bilgilerini paylaşmışlardır. Kuantum dolanıklığı ile tek tek durumları değil, yalnızca genel sistemin kuantum durumunu bilirsiniz.

Dolanık kuantum sistemleri, bu bağıntıyı büyük mesafeler üzerinden ayrılsa bile korur. Başka bir deyişle, bir alt sisteme uyguladığınız her işlem veya işlem diğer alt sistemle de ilişkilendirilebilir. Bu nedenle, bir kubitin durumunun ölçülmesi diğer kubitin durumu hakkında bilgi sağlar; bu özellik kuantum bilişiminde çok yararlıdır.

Daha fazla bilgi edinmek istiyorsanız Q# ve pratik bir uygulama için Eğitim modülü: Dolanıklığı kullanarak bir kubit aktarma'ya bakın.

İlgili içerik