İnternetteki özel bilgilerinizi koruyan şifrelemeyi kırabilen bir bilgisayar. Tek tek moleküllerin davranışlarını hassas bir şekilde simüle ederek güçlü yeni ilaçlar tasarlayabilen bir makine. Şirketlerin ihtiyaç duydukları parçaları almalarına ve bunları mümkün olan en verimli şekilde bir araya getirmelerine yardımcı olmak için karmaşık tedarik zincirlerini optimize eden bir cihaz.

Bunların hepsi, yeni ortaya çıkan bir teknoloji olan kuantum bilgisayarın dünyamızı nasıl değiştirebileceğine dair örnekler.

Bu bilgisayarlar, evreni en küçük ölçeklerde ve en soğuk sıcaklıklarda yöneten garip, çoğu zaman sezgisel olmayan yasalar olan kuantum fiziğini kullanarak çalışır. Günümüzün kuantum bilgisayarları ilkel ve hataya yatkındır. Ancak daha gelişmiş ve sağlam versiyonları üretilebilirse mevcut bilgisayarların yıllar alacağı bazı problemleri hızla çözme potansiyeline sahiptirler. Bu nedenle dünyanın dört bir yanındaki hükümetler, şirketler ve araştırma laboratuvarları bu hedefe ulaşmak için hummalı bir şekilde çalışmaktadır.

Peki, kuantum nedir?

Kuantum fiziği, evreni en küçük ve en temel ölçeklerde tanımlar; atomlar ve moleküller; ışık ve enerji gibi. Bu ölçeklerdeki şeyler, aşina olduğumuz günlük nesnelerden çok farklı davranır.

En önemli farklardan biri süperpozisyon adı verilen bir kavramla ilgilidir . Günlük hayattan, insan ölçeğinde bir nesneyi, örneğin bir merdivendeki bir insanı ele alarak başlayalım. Kişinin hangi basamakta durduğuna bağlı olarak, belirli bir miktarda potansiyel enerjisi vardır. (Bu potansiyel enerji, kişi merdivenden atladığında yere çarptığında ne kadar hızlı hareket edeceğini belirler.) Yerdeki bir kişinin bu sistemdeki en az enerjiye sahip olduğu söylenebilir. Birinci basamaktaki bir kişinin enerjisi biraz daha fazladır ve bu durum en üst basamağa kadar devam eder.

Buna karşılık, atomlar gibi minik nesneler aynı anda iki veya daha fazla farklı enerji miktarına sahipmiş gibi davranabilirler. Merdiven örneğimizde bu, bir insanın aynı anda merdivenin en alt ve en üst basamaklarında durmasına benzer; bu da bir insan için mantıklı değildir.

Bir atom, “kuantum süperpozisyonu” olarak bilinen bu tür karışık enerji durumuna yerleştirildikten sonra, dış dünya tarafından ölçülene veya rahatsız edilene kadar orada kalır. Ardından atom, benzetmemize göre, merdivenin en alt veya en üst basamağına, tek bir enerji durumuna “çöker”.

Bu fikri daha anlaşılır bir şekilde ifade etmek gerekirse, ünlü fizikçi Erwin Schrödinger, akılda kalıcı, ancak absürt bir düşünce deneyi ortaya attı: İçinde bir kedi ve radyoaktif bir atomun bozunmasıyla tetiklenebilen bir zehir tuzağı bulunan, mükemmel şekilde kapatılmış bir kutu hayal edin. Atomun bozunması belirsiz olduğundan, herhangi bir anda kedi ölü ve canlı arasında bir süperpozisyon halindedir. Sadece biri kutuyu açıp kediyi ölçtüğünde, durumu kesin olarak canlı veya kesin olarak ölü olarak “çöker”. Elbette gerçek kediler hem canlı hem de ölü olamaz, ancak Schrödinger’in hayali kedisi, insanların süperpozisyonun garipliğiyle başa çıkmalarına yardımcı olan kalıcı bir metafor haline geldi.

Süperpozisyon kavramından yola çıkarak, birden fazla atom veya diğer kuantum nesnesi, tek bir kuantum durumunu paylaşmak üzere birbirleriyle dolanık hale getirilebilir . Şimdi Schrödinger’in kutusunda, aynı tuzağın potansiyel kurbanları olan birkaç kedi hayal edin. Bu kediler, hepsinin canlı veya hepsinin ölü olduğu bir süperpozisyonda “dolanık” haldedir. Birisi kutuyu açtığında, sadece bir kedinin durumu değil, tüm kedilerin durumu anında çöker ve her kedinin tamamen canlı veya tamamen ölü olduğu görülür. 

NIST fizikçisi Andrew Wilson, “Dolanıklık, her zaman birbirine bağlı en az iki şeyin olduğu anlamına gelir; bağımsız bir varoluşları yoktur,” diye açıklıyor. 

Bu senaryolar, kediler gibi tanıdık nesnelere uygulandığında bize absürt geliyor. Ancak atomik düzeyde, dünya böyle işliyor. Atomlar gibi minik nesneler aynı anda birden fazla durumda bulunabilir. Ve bu durumlar, nesneler birbirinden çok uzakta olsalar bile, diğer nesnelerin durumlarıyla iç içe geçebilir. Wilson, “Diyelim ki iç içe geçmiş bir çift parçacığınız var ve birini Ay’a, diğerini Dünya yüzeyine koydunuz. Eğer Dünya’daki parçacığa bir şey yaparsanız, aynı anda diğerini de etkilersiniz,” diyor. “Bu biraz romantik!”

Yakında fizikçilerin bu fikirleri kuantum bilgisayarlar inşa etmek için nasıl kullandıklarını inceleyeceğiz. Ama önce şunu anlamamız gerekiyor…

Bilgisayar nedir?

Günümüzde bilgisayarları neredeyse her şey için kullanıyoruz: oyun oynamak ve yayın izlemek, bankacılık ve alışveriş yapmak, favori spor takımlarımızı takip etmek ve arkadaşlarımızla ve aile üyelerimizle sohbet etmek. Ancak bir bilgisayarın ne olduğunu veya nasıl çalıştığını nadiren düşünüyoruz.

En temel düzeyde, bilgisayar, veri alan, işleyen, depolayan ve geri veren herhangi bir cihazdır. Cebimizdeki telefonlar, veri merkezlerindeki sunucular, arabalarımızdaki mikroişlemciler ve ulusal laboratuvarlardaki oda büyüklüğündeki süper bilgisayarlar: Tüm bu dijital bilgisayarlar, bilgiyi “bitler” kullanarak kodlar ve işler. Bitler, bilgiyi (metin, grafik vb.) 1’ler ve 0’lar olarak kodlayan “ikili rakamlardır”. Örneğin, bilgisayarlar genellikle “A” harfini “01000001” bit dizisiyle temsil eder.

Ancak bitler, parçası oldukları bilgisayarlar gibi, sadece matematiksel kavramlar değildir. Bunların, örneğin yukarı veya aşağı doğru iki farklı duruma getirilebilen minik çubuk mıknatıslar veya elektrik anahtarları gibi fiziksel nesnelerde somutlaştırılması gerekir.

Bitler işlerini çok iyi yaparlar. Bir biti “0” veya “1” durumuna getirdiğinizde genellikle uzun süre orada kalır; bu da kodladığı bilginin kararlı ve uzun ömürlü olduğu anlamına gelir. Ancak bitlerin de sınırları vardır.

Kuantum bilgisayarların da giriş, çıkış, bilgi işleme ve belleği vardır. Ancak normal klasik bitler yerine, kuantum bilgisayarlar kuantum bitleri veya kübitler kullanır . Schrödinger’in talihsiz kedisi gibi, kübitler birden fazla durumun süperpozisyonuna konulabilir. Başka bir deyişle, bir kübit 0 durumunda, 1 durumunda veya ikisinin bir karışımında olabilir. Ve tek tek kübitlerin kuantum durumları birbirleriyle dolanık olabilir.

Bu yetenekler, kuantum bilgisayarlarına süper güçlerini kazandırır. İki klasik bit aynı anda yalnızca bir durum kombinasyonuna (örneğin 1 ve 0) yerleştirilebilirken, iki kübit aynı anda dört farklı 0 ve 1 kombinasyonunun süperpozisyonunu içerebilir. Üç kübit sekiz kombinasyon, dört kübit 16 kombinasyon ve bu böyle devam eder. Her ek kübit, kombinasyon sayısını ikiye katlar: üstel bir artış.

Kuantum bilgisayar kullanan birinin, üstel hesaplama gücünden yararlanmak için öncelikle kübitleri birbirine dolandırması gerekir. Operatör daha sonra kübitler üzerinde toplama, çarpma veya daha karmaşık hesaplamalar gibi işlemler gerçekleştirir. Kuantum bilgisayarın türüne bağlı olarak, elektromanyetik sinyaller veya lazerler dolanıklığı ve işlemleri oluşturur.

Kuantum bilgisayarlar üstel hesaplama yapabilme yeteneğine sahip olsalar da, bu hesaplamalardan çıkarabilecekleri veri miktarı sınırlıdır; bu gerçek, kuantum bilgisayarların bir probleme her çözümü aynı anda denediği izlenimini veren popüler açıklamalarda sıklıkla gözden kaçırılır.

Google’da kuantum hesaplama araştırmacısı olan ve uzun yıllar NIST’te görev yapmış, ayrıca  Kuantum Bilgi ve Bilgisayar Bilimleri Ortak Merkezi üyesi Stephen Jordan, “Farklı hesaplamalar gerçekten de süperpozisyon halinde yapılabilir ve bir tür paralel hesaplama elde edilebilir” diyor. “Ancak yaygın inanışın aksine, bu durum kuantum bilgisayarların tüm potansiyel çözümler üzerinde verimli bir ‘kaba kuvvet’ araması yapmasına olanak sağlamaz.”

Jordan, “Hesaplamanın sonunda yapılan ölçüm, tüm bu hesaplamaların sonuçları hakkında yalnızca az miktarda bilgi çıkarabilir,” diye açıklıyor. “Önemli olan, ölçümü, süperpozisyon halinde yapılan tüm sonuçlar kümesi hakkında yararlı bilgi çıkaracak şekilde tasarlamaktır.”

(Not: Bu makale, klasik bilgisayarlara benzer şekilde mantık kapıları kullanarak hesaplama yapan kuantum bilgisayarları açıklamaktadır. Bazı bilim insanları ve şirketler, belirli fizik ve optimizasyon problemlerini klasik bilgisayarlardan daha hızlı çözmek için kullanılabilecek “kuantum tavlama” olarak bilinen başka bir teknolojiyi geliştirmektedir.) 

Kuantum bilgisayarlar neler yapabilir?

1981’de Boston dışında düzenlenen bir fizikçiler toplantısında, ünlü fizikçi Richard Feynman, ” fiziği bilgisayarlarla simüle etme ” olasılığından bahsetti . Diğer bilim insanları da aynı dönemde bağımsız olarak benzer fikirler geliştirmiş olsa da, Feynman’ın konuşması genellikle kuantum hesaplama alanının başlangıcı olarak kabul edilir.

O zamandan beri bilim insanları, kuantum bilgisayarların teorik olarak molekülleri, kimyasalları ve malzemeleri yöneten temel kuantum kurallarını nasıl simüle edebileceğini araştırdılar; bu, günümüz bilgisayarlarının ancak büyük çabalarla yaklaşık olarak başarabildiği bir şeydir. Kuantum bilgisayarlar sonunda yeterince büyük ve güçlü hale gelirse, bilim insanları bu tür kuantum simülasyonlarının malzeme bilimi, ilaç geliştirme ve diğer alanlarda büyük ilerlemeler sağlayabileceğini umuyorlar. Kuantum simülasyonu için potansiyel olarak dönüştürücü “çığır açan uygulamalar” arasında yeni bir çok satan ilaç veya gübre üretimini veya havadan sera gazlarının yakalanmasını daha verimli hale getiren kimyasal katalizörlerin keşfi yer alabilir.

1994 yılında, Peter Shor adlı bir matematikçi,  kuantum hesaplamayı anında ulusal güvenlik sorunu haline getiren çok farklı bir uygulama hakkında bir makale yayınladı . Verilerimizin çoğunu şifreleyen algoritmalar, gizli bir anahtar oluşturmak için çok büyük asal sayıları birbirleriyle çarparak çalışır; bu, klasik bilgisayarların çözmesi çok zor bir işlemdir. Shor’un makalesi, bu büyük asal sayıların çarpımları olan muazzam sayıları hızla çarpanlarına ayırabilen bir kuantum algoritmasını tanımlıyordu ve bu da dünyanın şifrelenmiş bilgilerinin büyük bir kısmını potansiyel olarak riske atıyordu.

Bilim insanları ayrıca kuantum bilgisayarların, şirketlerin uçak montajı gibi karmaşık süreçleri daha verimli bir şekilde organize etmelerine yardımcı olmak gibi karmaşık optimizasyon problemlerini çözmede klasik bilgisayarlardan daha hızlı olabileceğine inanıyor.

Bu uygulamaların çoğu yıllar, hatta belki de on yıllar sonra hayata geçecek. Ancak bilim insanları, kuantum bilgisayarların “kuantum avantajı” gösterdiğini, yani belirli görevlerde klasik bilgisayarlardan daha iyi performans sergilediğini iddia eden makaleler yayınlamaya başladılar. Örneğin, kuantum bilgisayarlar küçük moleküllerin enerjilerini hesaplamak ve etkileşim halindeki atom topluluklarının manyetik özelliklerini simüle etmek için kullanıldı.

NIST’te fizikçi olan Scott Glancy, şu ana kadar bu ilk gösterimlerin hiçbirinin gerçekten faydalı olduğunu kanıtlamadığını söylüyor. Ve bazı durumlarda, bilim insanları daha sonra geleneksel bilgisayarların bazı görevler için kuantum işlemcilerin performansına eşit veya ondan daha iyi performans gösterebileceğini ortaya koydu. Bununla birlikte, bu gösterimler kuantum bilgisayarların çalıştığını ve ölçeklendirilebileceğini kanıtlıyor.

Glancy, “Bana öyle geliyor ki, kuantum sistemlerinin klasik yöntemlerle yapamadığımız gerçekten yeni simülasyonları gerçekleştirmesinin eşiğindeyiz,” diyor.

Bu pratik uygulamaların ötesinde, kuantum bilgisayarlar gerçekliğin temel doğasını araştırmak için yeni bir yol sunabilir. Tam ölçekli bir kuantum bilgisayar, başarıyla inşa edilirse, şimdiye kadar yaratılmış en karmaşık kuantum durumlarından bazılarını içerecektir (uzaylıların zaten böyle cihazlar inşa etmediğini varsayarsak). Bu durumlar, kuantum teorisinin önemli, ancak şaşırtıcı olmayan bir doğrulaması olacaktır. 

Öte yandan, bilim insanları büyük ölçekli bir kuantum bilgisayarın inşa edilemeyeceğini keşfederlerse, bu “şok edici” olur, diyor Glancy. “Fizikte bir devrime ilham verebilir. Bence bu, bir kuantum bilgisayar inşa etmek için iyi bir neden.”

Günümüzde neden kuantum bilgisayarlarımız yok?

Kuantum bitleri (qubitler) son derece hassas ancak kırılgandır. Rastgele bir elektrik veya manyetik alan, sıcaklık dalgalanmaları veya hatta kozmik bir ışın, süperpozisyonu veya dolanıklığı bozabilir. Bu durum, kuantum bitlerini sıradan bitler gibi davrandıkları 0 veya 1 durumuna zorlar. Kuantum bilgisayar geliştiren herkes, kuantum bitlerini dış etkenlerden korurken dikkatlice manipüle etmenin yollarını bulmalıdır.

Dahası, tek başına bir kübitin değeri azdır. Bir kuantum cihazının faydalı bir şey yapabilmesi için, birçok kübitin süperpozisyon halindeyken birbirine dolanık olması gerekir. Günümüzün en iyi kuantum bilgisayarları yüzlerce birbirine bağlı kübit içerir ve yaklaşık her bin işlemde bir hata yapar. Bir hata, bir kübitin durumunu değiştirir, taşıdığı bilgiyi yok eder veya bozar.

(Buna karşılık, klasik bir bilgisayar, her katrilyon hesaplamada (1’i 18 sıfır takip eden) yaklaşık bir hata yapar; örneğin, bir bitin rastgele 0’dan 1’e geçmesi gibi. Ve klasik bir bilgisayardaki hataları düzeltmek çok daha kolaydır.)

Dünya genelindeki endüstri, üniversite ve devlet araştırmacıları, daha güvenilir kuantum bitleri üretmek ve dolanıklığı daha verimli ve sağlam bir şekilde oluşturan elektronik ve lazer sistemleri geliştirmek için yarışıyorlar. Ve birçok farklı kuantum biti türüyle deneyler yapıyorlar. Teoride, atomlardan küçük devrelere ve yarı iletkenlere kadar kuantum fiziğinin kurallarına uyan herhangi bir parçacık veya sistem, bir kuantum biti olarak işlev görebilir.

Her kübitin avantajları ve dezavantajları vardır. Örneğin, en popüler kübit türlerinden biri,  iyon olarak bilinen elektriksel olarak yüklü atomları kullanır . Bu iyonların içindeki elektronların kuantum enerji durumları, kuantum hesaplama için 0’ları ve 1’leri (ve bunların kombinasyonlarını) temsil eder. İyon kübitleri uzun süre kuantum süperpozisyonlarını sürdürebilir, ancak hesaplamaları gerçekleştirmede nispeten yavaştırlar.

Bir diğer popüler kübit, süperiletkenlerden yapılmış minik devreler kullanır  ; bu malzemeler çok düşük sıcaklıklarda bile dirençsiz elektrik iletir. Devrelerdeki elektronların davranışı, 0’ları ve 1’leri kodlamak için kullanılabilen kuantumlanmış enerji durumları yaratır. Bu kübitler hızlı hesaplamalara olanak tanır ve mevcut çip üretim teknikleri kullanılarak üretilebilir. Ancak kuantum durumları, iyon kübitlerine göre daha kırılgan ve daha kısa ömürlüdür.

Bilim insanları ayrıca nötr (elektrik yüklü olmayan) atom dizileri ,  elmaslara gömülü atomlar ,  foton olarak bilinen ışık parçacıkları ve  küçük silikon parçacıkları temelinde oluşturulan kübitlerle de deneyler yapıyorlar  .

Bazı araştırmacılar, hatalara karşı doğal bir bağışıklığa sahip olacak, “topolojik” kübit olarak bilinen, tamamen farklı bir kübit türü geliştirmeye çalışıyorlar. Teoride, topolojik kübitler, elektronlar gibi bireysel parçacıkların kolektif davranışından ortaya çıkan “yarı parçacıkların” örgü desenine kuantum bilgisini kodlayabilir. Bu örgü desenleri ve dolayısıyla kuantum durumları, diğer kübitleri bozabilecek bazı dış etkenlerden korunacaktır. 

Topolojik kübitler, mutlak sıfıra yakın sıcaklıklar ve genellikle süper iletken ve yarı iletken malzemeler içeren karmaşık yapılar gerektirir. İnşa edilmesi zorlu olmuştur ve araştırmacılar hâlâ bir tanesini yapmayı başardıklarına dair kesin kanıt aramaktadırlar. 

Sonuç olarak, kuantum bilgisayarlar, her birinin kendi güçlü yönlerini ortaya çıkarabilmesi için birden fazla türde kübiti bir araya getirebilir. Örneğin, süper iletken veya fotonik kübitler işlemleri hızlı bir şekilde gerçekleştirebilir ve ardından bilgilerini depolama için iyon veya elmas kübitlere aktarabilir.

Qubit Adayları

Qubit tipi	Görüntü	Tanım
Tuzaklanmış iyon		Elektrik yüklü atomlar, elektrik ve/veya manyetik alanlar kullanılarak vakum odası içinde hapsedilir. Kuantum durumları lazer ışığı ve elektromanyetik alanlar ile kontrol edilebilir ve ölçülebilir.
Nötr atom		Nötr (yüksüz) atomlar, lazer ışığı kullanılarak bir vakum odasının içinde hapsedilir. Kuantum durumları lazer ışığı ve elektromanyetik alanlar kullanılarak kontrol edilebilir ve ölçülebilir.
Süperiletken		Çip üzerindeki minik entegre devreler, mutlak sıfıra yakın bir sıcaklığa kadar soğutulur. Bu sıcaklıklarda, devrelerdeki elektronların davranışı,  zayıf elektromanyetik sinyaller kullanılarak gözlemlenebilen ve manipüle edilebilen nicelleştirilmiş enerji durumları yaratır.
Yarı iletken		Elektrotlar, yarı iletken bir malzemenin (örneğin silikonun) neredeyse mutlak sıfıra soğutulmuş küçük bir bölgesinde elektronları hapsetmek için kullanılır. Elektronun kuantum durumu elektromanyetik alanlar ile kontrol edilebilir ve ölçülebilir.
Fotonik		Işık parçacıkları (fotonlar) polarizasyonlarında, dalga boylarında, varış zamanlarında veya hatta foton sayılarında kuantum bilgisi kodlayabilirler. Işın ayırıcılar ve tek foton dedektörleri gibi cihazlar, kodlanmış kuantum durumlarını kontrol etmek ve ölçmek için kullanılır.
Topolojik		Henüz laboratuvarda üretilmemiş olan bu varsayımsal kübit türü, elektronlar gibi bireysel parçacıkların kolektif davranışından ortaya çıkan “yarı parçacıkları” örerek kuantum bilgisini kodlayacaktır. Kuantum durumları, örgünün nasıl büküldüğüne bağlı olarak kodlanacak ve bu da onları dış etkenlerden korumaya yardımcı olacaktır. Durumlar, manyetik ve elektrik alanlar kullanılarak kontrol edilecek ve ölçülecektir.

En çok incelenen ve en iyi fonlanan kübit türlerinden bazılarına genel bir bakış. 
Görsel kaynağı: N. Hanacek/NIST

Nereye gidiyoruz?

Yakın vadede, kuantum bilgisayar tasarımcıları, geleneksel bilgisayarların yapamadığı faydalı görevleri yerine getirebilecek kadar gelişmiş ve kararlı makineler inşa etmeyi umuyorlar. Bazı araştırmacılar bu “gürültülü orta ölçekli” kuantum bilgisayarların simülasyonda üstün performans göstereceğini beklerken, diğerleri şüpheci yaklaşıyor. Mevcut kuantum bilgisayarlar esas olarak belirli fizik, kimya ve matematik problemlerini araştırmak ve daha güçlü kuantum bilgisayarların nasıl yapılacağını anlamak için test platformları olarak kullanılıyor.

Shor’un şifre çözme algoritmasını çalıştırmak gibi diğer görevler için, bir kuantum bilgisayarın, klasik bilgisayarlarımız gibi hatasız ve süresiz olarak çalışabilen milyonlarca kübite ihtiyacı olabilir. Böyle bir kuantum bilgisayarın geliştirilmesi muhtemelen hala çok daha uzakta. 

(Yine de NIST,  kuantum bilgisayarlara karşı dayanıklı olduğu düşünülen  yeni algoritmalar geliştirdi ve işletmeleri ve devlet kurumlarını bunları benimsemeye teşvik ediyor. Kuantum sonrası kriptografi hakkında daha fazla bilgi edinin .)

Birçok uzman, kuantum bilgisayarların çok karmaşık ve hassas olmaları nedeniyle muhtemelen asla masalarımızda veya ceplerimizde yer almayacağına inanıyor. Bunun yerine, kuantum bilgilerini işleyecek ve dünyamızı daha akıllı, daha güvenli ve daha verimli hale getirecek çözümler sunacakları ticari bilgi işlem merkezlerinde, ulusal laboratuvarlarda ve üniversitelerde yer alabilirler.