Not
Bu sayfaya erişim yetkilendirme gerektiriyor. Oturum açmayı veya dizinleri değiştirmeyi deneyebilirsiniz.
Bu sayfaya erişim yetkilendirme gerektiriyor. Dizinleri değiştirmeyi deneyebilirsiniz.
👉 Microsoft Quantum'daki yeniliklere göz atın
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
Atomlar ve moleküller gibi kuantum sistemlerinin klasik bir bilgisayarda simülasyonu zor veya imkansız olabilir. 1980'lerde Richard Feynman ve Yuri Manin, kuantum olaylarını temel alan donanımın kuantum sistemlerinin simülasyonu için geleneksel bilgisayarlara göre daha verimli olabileceğini öne sürmüştü.
Kuantum sistemlerinin normal bilgisayarlarda benzetiminin zor olmasının çeşitli nedenleri vardır. Ana nedenlerden biri, kuantum düzeyinde maddenin, aynı anda birden çok konfigürasyonun (durum olarak bilinir) birleşimi olarak tanımlanmasıdır.
Kuantum durumları üstel olarak büyür
Bir parçacık sistemi ve bu parçacıkların var olabileceği 40 olası konumu düşünün. Sistem, her konumda parçacığın olup olmamasına bağlı olarak 2^$ benzersiz durumda olabilir{40}$. Bunlar klasik parçacıklarsa, sistem her zaman 2^$ durumdan {40}$yalnızca birindedir, bu nedenle klasik bir bilgisayarın sistemin durumunu tanımlamak için yalnızca 40 bite ihtiyacı vardır. Ancak bunlar kuantum parçacıklarıysa, sistem tüm 2^$ durumlarının bir {40}$ birleşiminde var olur. Klasik bir bilgisayarın kuantum sistemini tanımlamak için 2^$ sayı depolaması {40}$gerekir ve bu da 130 GB'ın üzerinde bellek gerektirir. Ancak, bir kuantum bilgisayarın bu kuantum sistemini tanımlamak için yalnızca 40 kuantum biti gerekir.
Elektronların 41 konumda var olabilmesi için sisteme başka bir konum eklersek, sistemin benzersiz yapılandırmalarının sayısı iki katına $2^{41}$. Bu kuantum durumunu klasik bir bilgisayarda depolamak için 260 GB'tan fazla bellek gerekir. Konum sayısını sonsuza kadar artırma oyunu oynayamayız. Kuantum durumunu geleneksel bir bilgisayarda depolamak için dünyanın en güçlü makinelerinin bellek kapasitelerini hızla aşmış olursunuz. Birkaç yüz elektronda sistemi depolamak için gereken bellek, evrendeki parçacıkların sayısını aşıyor. Geleneksel bilgisayarlarımızda daha büyük sistemler için kuantum dinamiklerini tamamen simüle etme umudu yok!
Zorluğu fırsata dönüştürme
Bu üstel büyümenin gözlemlenmesi güçlü bir soruya neden oldu: Bu zorluğu fırsata dönüştürmek mümkün mü? Kuantum sistemlerinin normal bilgisayarlarda simülasyonunu yapmak zorsa, temel işlemleri için kuantum efektleri kullanan bir makine oluşturursak ne olur? Kuantum sistemlerinin simülasyonunu tam olarak aynı fizik yasalarından yararlanan bir makineyle yapabilir miyiz? Bu makineyi kuantum mekaniği dışındaki diğer önemli sorunları araştırmak için kullanabilir miyiz? Bunlar, kuantum bilgileri ve kuantum bilişimi alanlarına neden olan soru türleridir.
1985'te David Deutsch, bir kuantum bilgisayarın herhangi bir fiziksel sistemin davranışını verimli bir şekilde simüle edebileceğini gösterdi. Bu keşif, kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarlarda çözülmesi çok zor olan sorunları çözmek için kullanılabileceğinin ilk göstergesiydi.
1994 yılında Peter Shor, büyük tamsayıların temel faktörlerini bulmak için bir kuantum algoritması keşfetti. Shor algoritması, bu faktöring sorunu için bilinen en iyi klasik algoritmadan üstel olarak daha hızlı çalışır. Böyle hızlı bir algoritma, Rivest–Shamir–Adleman (RSA) ve Eliptik Eğri Şifrelemesi gibi e-ticarette işlemlerin güvenliğini sağlamak için kullandığımız birçok modern ortak anahtar şifreleme sistemimizi bozabilir. Bu keşif, kuantum bilişimine büyük bir ilgi uyandırdı ve diğer birçok sorun için kuantum algoritmalarının geliştirilmesine yol açtı.
O zamandan beri, klasik bilgisayarlarda çözülmesi zor olan diğer sorunlar için hızlı ve verimli kuantum bilgisayar algoritmaları geliştirilmiştir. Örneğin, artık sıralanmamış bir veritabanında arama yapmak, doğrusal denklem sistemlerini çözmek, makine öğrenimi gerçekleştirmek ve kimya, fizik ve malzeme biliminde fiziksel sistemlerin simülasyonunu yapmak için kuantum algoritmalarımız var.
Kübit nedir?
Bitler klasik bilgi işlemdeki bilgilerin temel nesnesi olduğu gibi kubitler de (kuantum bitleri) kuantum bilişimindeki bilgilerin temel nesnesidir.
Kubitler kuantum bilişiminde bitlerin klasik bilgi işlemde oynadığı gibi benzer bir rol oynar, ancak kubitler bitlerden farklı davranır. Klasik bitler ikilidir ve herhangi bir zamanda 0 veya 1 olmak üzere iki durumdan yalnızca birinde olabilir. Ancak kuantum bitleri aynı anda hem 0 hem de 1 durumlarının süperpozisyonunda olabilir. Aslında, 0 ve 1'in sonsuz olası süper pozisyonları vardır ve bunların her biri geçerli bir kubit durumudur.
Kuantum bilişiminde bilgiler, 0 ve 1 durumlarının süper konumlarında kodlanır. Örneğin, 8 normal bit en fazla 256 benzersiz değer kodlayabilir, ancak bu 8 bit aynı anda 256 değerden yalnızca birini temsil edebilir. 8 kubit ile 256 değerin tümünü aynı anda kodlayabiliriz çünkü kubitler tüm 256 olası durumda süper konumda olabilir.
Daha fazla bilgi için bkz . Kuantum bilişiminde kubit.
Kuantum bilgisayar oluşturma gereksinimleri nelerdir?
Kuantum bilgisayar, hesaplama sorunlarını çözmek için kuantum sistemlerini ve kuantum mekaniğinin özelliklerini kullanır. Kuantum bilgisayardaki sistemler kubitlerden, kubitler arasındaki etkileşimlerden ve kubitlerdeki bilgi depolama ve hesaplama işlemlerinden oluşur. Belirli sorunları klasik bilgisayarlardan daha hızlı çözmek için kuantum bilgisayarlarını kullanarak kuantum dolanıklığı ve kuantum girişimi gibi etkileri programlayabiliriz.
Kuantum bilgisayar oluşturmak için kubitleri oluşturma ve depolamayı göz önünde bulundurmamız gerekir. Ayrıca kubitleri işlemeyi ve hesaplamalarımızın sonuçlarını ölçmeyi de düşünmemiz gerekir.
Popüler kubit teknolojileri arasında kapana kısılmış iyon kubitleri, süper iletken kubitler ve topolojik kubitler bulunur. Bazı kubit depolama yöntemleri için, kubitleri barındıran ünite, tutarlılıklarını en üst düzeye çıkarmak ve girişimi azaltmak için mutlak sıfıra yakın bir sıcaklıkta tutulmalıdır. Diğer kubit barındırma türlerinde, titreşimleri en aza indirmeye ve kubitleri kararlı hale getirmeye yardımcı olmak için bir vakum haznesi kullanılır. Sinyaller kubitlere mikrodalga fırın, lazer veya voltaj gibi çeşitli yöntemlerle gönderilebilir.
Kuantum bilgisayar için beş ölçüt
İyi bir kuantum bilgisayar şu beş özelliğe sahip olmalıdır:
- Ölçeklenebilir: Çok sayıda kubit içerebilir.
- Başlatılabilir: Kubitleri belirli bir duruma (genellikle 0 durumu) ayarlayabilir.
- Dayanıklı: Kubitleri uzun süre süper pozisyon durumunda tutabilir.
- 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.
- 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.