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.

İpucu

Kuantum bilişim yolculuğunuzu hızlandırmak istiyorsanız Azure Quantum web sitesinin benzersiz bir özelliği olan Azure Quantum ile kod bölümüne bakın. Burada yerleşik Q# örnekleri veya kendi Q# programlarınızı çalıştırabilir, istemlerinizden yeni Q# kod oluşturabilir, kodunuzu tek tıklamayla Web için VS Code'da açıp çalıştırabilir ve Copilot'a kuantum bilişimi hakkında sorular sorabilirsiniz.

Kuantum bilgisayarları neden kullanmalısınız?

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 bilişimi üstel olarak büyür

40$ olası konumun bulunduğu $bir elektron sistemi düşünün. Bu nedenle sistem 2^{40}$ yapılandırmadan herhangi birinde $olabilir (çünkü her konumda elektron olabilir veya olmayabilir). Elektronların kuantum durumunu geleneksel bir bilgisayar belleğinde depolamak için 130$ GB'den $fazla bellek gerekir! Parçacıkların 41$ konumdan herhangi birinde $yer almalarına izin verirsek, 2^{41}$ değerinde 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. Durumu geleneksel olarak depolamak istiyorsak dünyanın en güçlü makinelerinin bellek kapasitelerini hızla aşmış olacağız. Birkaç yüz elektrona ulaşıldığında, sistemi depolamak için gereken bellek evrendeki parçacık sayısını aşar. Bu nedenle, geleneksel bilgisayarlarımızla kuantum dinamiklerini benzetmek mümkün değildir.

Zorluğu fırsata dönüştürme

Bu üstel büyümenin gözlemi güçlü bir soru sormamıza neden oldu: Bu zorluğu bir fırsata dönüştürebilir miyiz? Özellikle, kuantum dinamiğini benzetmek zorsa, temel işlemler olarak kuantum etkilerine sahip donanımlar oluşturmak istediğimizde ne olur? Aynı fizik yasalarından yararlanan bir makine kullanarak parçacıklarla etkileşim kuran kuantum sistemlerinin simülasyonunu yapabilir miyiz? Bu makineyi kuantum parçacıklarında bulunmayan ancak bizim için kritik 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.

O zamandan bu yana, kimya, fizik ve malzeme bilimindeki fiziksel sistemlerin benzetimini yapma, sıralanmamış bir veritabanında arama yapma, doğrusal denklem sistemlerini çözme ve makine öğrenmesi gibi sabit klasik görevlerimizin birçoğu için hızlı ve verimli kuantum bilgisayar algoritmaları geliştirilmiştir.

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 kodlayabiliriz$, ancak kodlamak için bunlardan birini seçmeniz$ gerekir. 8 kubit ile $256$ değerini aynı anda kodlayabiliriz$.$ Bu davranış, kubitin tüm olası durumların süper pozisyonunda olmasıdır.

Daha fazla bilgi için bkz . Kuantum bilişiminde kubit.

Kuantum bilgisayar oluşturma

Kuantum bilgisayar, kuantum mekanik olaylarından yararlanan bir bilgisayardır. Kuantum bilgisayarlar, bilgileri depolamak ve hesaplamak için maddenin kuantum durumlarını kullanır. Alıntı yapabilir &; program" klasik bilgisayarlardan daha hızlı veya daha iyi şeyler yapmak için kuantum girişimi.

Kuantum bilgisayar oluştururken kubitleri nasıl oluşturacağımızı ve bunları nasıl depolayacağımızı düşünmemiz gerekir. Ayrıca bunları nasıl yönlendirebileceğimizi ve hesaplamalarımızın sonuçlarını nasıl okuyacağımızı da düşünmemiz gerekir.

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 kuantum işlemleri kümesi, diğer tüm işlemlerin bir dizi halinde ayrıştırılabilmesidir.
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. Microsoft, Azure Quantum aracılığıyla en son kuantum bilgi işlem çözümlerine erişmenizi sağlamak için dünyanın en iyi kuantum bilgisayarı üreticileriyle işbirliği içinde çalışmaktadır. Daha fazla bilgi için bkz. Azure Quantum sağlayıcılarının tam listesi.

Kuantum bilişimi ve Azure Quantum ne için kullanılabilir?

Kuantum bilgisayar, her şeyi daha hızlı yapabilen bir süper bilgisayar değildir. Aslında kuantum bilişim araştırmalarının hedeflerinden biri, kuantum bilgisayar tarafından klasik bilgisayardan daha hızlı çözülebilecek sorunları ve hızlandırmanın ne kadar büyük olabileceğini incelemektir.

Kuantum bilgisayarlar, çok sayıda olası bileşimin hesaplanması gereken sorunlarda son derece başarılıdır. Bu tür sorunlar kuantum simülasyonu, şifreleme, kuantum makine öğrenmesi ve arama sorunları gibi birçok alanda bulunabilir.

Microsoft'un kuantum bilişimi araştırması hakkında en son bilgiler için Bkz . Microsoft Research Quantum Computing sayfası.

Kaynak tahmini

Günümüzde kullanılabilen kuantum bilgisayarlar ilginç denemelere ve araştırmalara olanak sağlıyor ancak gerçek dünyadaki sorunları çözmek için gerekli hesaplamaları hızlandıramıyor. Sektör donanım ilerlemelerini beklerken, kuantum yazılımı yenilikçileri ilerleme kaydetmek ve kuantum geleceğine hazırlanmak için isteklidir. Bugün, yarının hataya dayanıklı ölçeklendirilmiş kuantum bilgisayarlarında çalışacak algoritmalar oluşturmak göz korkutucu bir görevdir. Bu yenilikçiler hangi donanım kaynaklarının gerekli olduğu gibi sorularla karşılaşıyor. Kaç fiziksel ve mantıksal kubit gerekiyor ve ne tür? Çalışma süresi ne kadardır?

Bu soruları yanıtlamaya yardımcı olması için Azure Quantum Kaynak Tahmin Aracı'nı kullanabilirsiniz. Sonuç olarak algoritmalarınızı geliştirebilecek ve kullanılabilir olduğunda ölçeklendirilmiş kuantum bilgisayarlardan yararlanan çözümler oluşturabileceksiniz.

Başlamak için bkz . İlk kaynak tahmininizi çalıştırma.

Kuantum simülasyonu

Kuantum mekaniği temel alınan &bölümdür; işletim sistemi&çekirdeği; evrenimizin. Doğanın temel yapı taşları nasıl davranır açıklar. Kimyasal reaksiyonlar, biyolojik reaksiyonlar ve malzeme oluşumları gibi doğanın davranışları genellikle çok gövdeli kuantum etkileşimlerini içerir. Kubitler (kuantum bitleri) söz konusu doğal durumları temsil etmek için kullanılabildiğinden, moleküller gibi kuantum mekanik sistemlerinin benzetimini yapmak umut vericidir. Modelleyebileceğimiz kuantum sistemleri örneklerinin arasında fotosentez, süper iletkenlik ve karmaşık moleküler oluşumlar bulunur.

Azure Quantum Öğeleri , bilimsel bulmayı hızlandırmak için oluşturulmuş bir amaçtır. Azure Yüksek Performanslı Bilgi İşlem (HPC) kümelerinde ölçeklendirme için iyileştirilmiş simülasyon iş akışları, yapay zeka hızlandırmalı bilgi işlem, yapay zeka kullanarak artırılmış akıl yürütme, mevcut kuantum donanımıyla deneme yapmaya başlamak için kuantum araçlarıyla tümleştirme ve gelecekte Microsoft'un kuantum süper bilgisayarına erişim ile araştırma ve geliştirme üretkenliğinizi yeniden geliştirin. Daha fazla bilgi için bkz . Moleküler Dinamikler için Azure'ın gücünün kilidini açma.

Kuantum hızlandırmaları

Kuantum bilgi işlem araştırmalarının hedeflerinden biri, kuantum bilgisayar tarafından klasik bilgisayardan daha hızlı çözülebilecek sorunları ve hızlandırmanın ne kadar büyük olabileceğini incelemektir. Grover algoritması ve Shor algoritması, klasik karşılıklarına göre sırasıyla polinom ve üstel bir hız elde eden iki iyi bilinen örnektir.

Kuantum bilgisayarda çalışan Shor algoritması, güvenli veri iletimi için e-ticarette yaygın olarak kullanılan Rivest–Shamir–Adleman (RSA) şeması gibi klasik şifreleme şemalarını bozabilir. Bu şema, klasik algoritmaları kullanarak asal sayıların faktörünü oluşturmanın pratik zorluğunu temel alır. Kuantum şifrelemesi, karmaşıklık varsayımları yerine temel fizikten yararlanarak bilgi güvenliği sağlar.

Grover algoritması , çözümü yapılandırılmamış veri aramalarına hızlandırır ve aramayı klasik algoritmalardan daha az adımda çalıştırır. Gerçekten de, belirli bir x$ değerinin $geçerli bir çözüm olup olmadığını denetlemenize olanak tanıyan herhangi bir sorun (&bir quot; evet veya hayır sorun") arama sorunu açısından formüle edilebilir. Aşağıda bazı örnekler verilmiştir:

• Boole doyumlanabilirliği sorunu: Boole değerleri $$ kümesi, verilen Boole formülünü karşılayan bir yorum mu (değişkenlere değer ataması) ?
• Seyahat eden satıcı sorunu: x$, tüm şehirleri birbirine bağlayan mümkün olan en kısa döngünün ne olduğunu açıklıyor mu$?
• Veritabanı arama sorunu: Veritabanı tablosu x$ kaydı $içeriyor mu?
• Tamsayı çarpanları belirleme sorunu: Sabit N$ sayısı x$ sayısına $$göre bölünebiliyor mu?

Grover algoritmasının daha ayrıntılı bir incelemesi için,'de Q#Grover algoritmasını uygulama öğreticisine bakın.

Kuantum bilişimi sorunları nasıl çözer?

Kuantum bilgisayarlar hesaplama yapmak için kuantum fiziğinin özelliklerinden yararlanan, denetlenebilir kuantum mekaniği cihazlarıdır. Bazı bilgi işlem görevlerinde, kuantum bilgi işlemi üstel hızlanmalar sunar. Bu hızlanmalar, kuantum mekaniğinin üç olgusuyla mümkün hale gelir: süper pozisyon, girişim ve dolanıklık.

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.

Klasik parçacıkların aksine, iki durum $A$ ve $B$ bir kuantum parçacığının geçerli kuantum durumlarıysa, durumların herhangi bir doğrusal bileşimi de geçerli bir kuantum durumudur: $\text{kubit durumu}=\alpha A + \beta B$. A$ ve $B$ kuantum durumlarının $bu doğrusal birleşimi süper pozisyon olarak adlandırılır. $\alpha$ Burada ve $\beta$ sırasıyla ^ + |\beta|^={2}{{2} 1$ gibi $|\alpha|A$ ve $B$ olasılık genlikleridir.$

Kuantum bilişiminin gücünü sağlayan süper pozisyon durumlarında yalnızca iyonlar, elektronlar veya süper iletken devreler gibi kuantum sistemleri bulunabilir. Elektron gibi bir kuantum parçacığının kendi "sola veya sağa dönük" özelliği vardır, yani yukarı veya aşağı olarak adlandırılır, bu nedenle bir elektronun kuantum durumu bir çekirdeğin &süper konumudur; kur'un &ve kur'un yukarı doğru dönmesi&; aşağı doğru&döndür;.

Genel olarak ve bunu klasik ikili bilgi işlem için daha da değişken hale getirmek için, bir kuantum sistemi iki kuantum durumunda olabilirse, bu durumlar 0 durum ve 1 durum olarak adlandırılır.

Kubitler ve olasılık

Klasik bilgisayarlar bilgileri, 1 veya 0 durumlarından birine sahip olabilen ancak asla ikisine birden sahip olamayan bitlerde depolayıp işler. Kuantum bilişimindeki eşdeğeri kubittir. Kubit, 0 ve 1 olmak üzere iki kuantum durumunun süper pozisyonunda olabilecek herhangi bir kuantum sistemidir. Her olası kuantum durumunun ilişkili bir olasılık genliği vardır. Ancak kubit ölçtükten sonra, durumu ilişkili olasılığa bağlı olarak 0 durumuna veya 1 durumuna daraltılır, böylece olası durumlardan biri belirli bir olasılıkla elde edilir.

Kubitin iki durumdan birine çökme olasılığı, kuantum girişimi ile belirlenir. Kuantum girişimi, ölçüm sırasında belirli bir sonucun olasılığını etkilemek için kubitin durumunu etkiler ve bu olasılık durumu, kuantum bilişiminin gücünün üstün olduğu durumdur.

Örneğin, klasik bir bilgisayardaki her bit, 1 veya 0 depolayabilir, böylece iki bit ile dört olası değer (00, 01, 10 ve 11) depolayabilirsiniz, ancak bunu tek seferde biri olacak şekilde yapabilirsiniz. Ancak süper konumda iki kubit olduğunda, her kubit 1 veya 0 ya da her ikisi de olabilir, yani aynı anda bu dört değeri temsil edebilirsiniz. Üç kubitle sekiz değeri temsil edebilir, dört kubitle 16 değeri temsil edebilir ve bu şekilde devam edebilirsiniz.

Daha fazla bilgi için bkz . Kuantum bilişiminde kubit.

Dolaşıklık

Kuantum mekaniğinin en ilginç olgularından biri, iki veya daha fazla kuantum sisteminin birbiriyle dolanık hale gelebilmesidir. Dolanıklık, kuantum sistemleri arasındaki bir kuantum bağıntıdır. Kubitler dolanık hale geldiğinde, tek tek alt sistemlerin kuantum durumunun bağımsız olarak açıklanamayacağı genel bir sistem oluşturur. İki sistem, küresel sistemin durumu alt sistemlerin durumunun bir bileşimi olarak yazılamadığında dolanık hale gelir; özellikle de, küresel sistemin durumu alt sistemlerin durumlarının tensor ürünü olarak yazılamadığında iki sistem dolanık hale gelir. Ürün durumu bağıntı içermiyor.

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. Dolaşık kubitler arasında bir bağıntı olduğundan, bir kubitin durumunu ölçmek diğer kubitin durumu hakkında bilgi sağlar. Bu özellik, kuantum bilişiminde çok faydalıdır.

Not

İki kubitin ölçümleri arasındaki her bağıntı, bu iki kubitin dolanık olduğu anlamına gelmez. Kuantum bağıntılarının yanı sıra klasik bağıntılar da vardır. Klasik ve kuantum bağıntıları arasındaki fark incedir, ancak kuantum bilgisayarlar tarafından sağlanan hız için önemlidir. Daha fazla bilgi için bkz . Klasik bağıntıları anlama.

Daha fazla bilgi edinmek istiyorsanız ile Q#kuantum dolanıklığı keşfetme öğreticisine bakın.