Katalog

Bilgi işlemlerinde devrimin yolu açıldı: Kuantum Bilgisayarlar İşlemci kabiliyetleri artacak, yapay zekâ kapasitesi gelişecek ve insan işgücü yerine geçecek, robot üretimi patlayacak. Bilgisayarlarda devrim yaratacak yolu açan buluşa ödül verildi.. Prof. Dr. Cengiz Yalçın, [email protected] 2 0 12 N O BE L F İZ İ K Ö DÜ L L E Rİ S enenin en önemli bilimsel olayı Nobel ödülleridir. Kazananlar birkaç gün önce ilan edildi. Dünyanın tanınmış üniversiteleri sonuçları heyecan ve merakla bekledi. Hem üniversite hem de ödülü alan için Nobel prestijin doruk noktasıdır. Belli bir bilimsel kaliteye ulaşmış her bilim insanın hayalini bu ödül süsler, sonuçların ilan edileceği son 24 saat içinde bu insanların gözlerine uyku girmez, kulakları akademiden gelecek telefonu bekler. Bu sene Nobel’i umut edenler arasında şüphesiz ki Higgs deneyini gerçekleştirenler de vardı. Komite Higgs yerine neden kuantum optik veya kuantum informatik gibi daha çok teknolojiye yönelik araştırmalar öncelik verdiği ayrı bir tartışma konusudur. Bu tartışmayı ileri bir tarihe bırakarak bu bilgi notumda, 2012 Nobel Fizik ödüllerinin ne anlama geldiğini ve günlük yaşantımıza ne gibi yenilikler getireceğini, siz bilim ve teknoloji meraklıları ile paylaşacağım. Ödül, Paris Ecole Normale Superieure araştırıcılarından . Serge Haroche ve Colorado üniversitesinden Prof. Dr. Prof. Dr. David J.Wineland arasında paylaşıldı. Her iki araştırmacıya da ödül, kuantum optik ve kuantum informatik alanına yaptıkları özgün katkılardan dolayı verildi. Dr. Haroche, metalik duvarlar arasına oluşturduğu atomik boyutlardaki kuantal kavuğa, yani çok küçük bir hacım içerisine, karalı atom ve foton yerleştirmeyi başarmıştı. Atom ve fotondan oluşan sistem, dış dünyadan böylece izole edildi. Foton metalik duvarlardan yansıdıkça, atom ve kovuk içersindeki alan ile etkileşmenin deneysel olarak inceleneceği bir ortam yaratıldı. Çevresinden izole edilmiş atomik (state) durumların süper pozisyonu, yani üst üste binme durumları, dolanıklık (entanglment) ve decoherence (uyumsuzluk) gibi kuantum özellikleri deneysel inceleme imkânı doğdu. Özelikle decoherence yani makroskopik boyutlar ile atomik boyutlar arasındaki uyumsuzluğun veya sınırın belirlenmesi, kuantum fiziğinin uzun bir süredir kafaları karıştıran Schrödinger kedi paradoksuna bir açıklama getirdi ve seneler sonra Solvay konferansında ünlü fizikçi Bohr‘un tezinin doğruluğu deneysel olarak kanıtlandı. Dr. Haroche, kovuktaki foton sayısını artırmayı başardığı gibi, çok sayıda fotonlar arasında tek bir foton kuantum sıçraması yaptığında kayıp olan ve kazanılan enerji miktarını da ölçmeyi başardı. Şimdi kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarlara göre ne gibi avantajlar sağlayacağı açıklayalım. Kuantum fiziği, anlamakta güçlük çekilmeyen ve matematiksel olarak ifade edilebilen dalga olayı üzerine kurgulandı. Örneğin nasıl bir telli sazda farklı ses veren iki vuru üst üste binerek yeni bir ses meydana getiriyorsa, kafeslenmiş iyona bağlı elektrona eşlik eden dalga, kuantum fiziğine göre üst üste biner, yani süperpozisyon yapar, yani kendine göre yeni bir ses meydana getirir. Kuantum bilgisayarlarının gücü, kafeslenmiş elektronun süperpozisyon durumunda bulunmasından kaynaklanır. Bu anlayışı derinleştirirsek, bir atomu tanımlayan dalganın süperpozisyon yapması, yani yeni bir ses meydana getirmesi, atomun bu süperpozisyonu oluşturan dalgaların her birinde aynı anda bulunması anlamına gelir. Bu açıkça, bir elektronun aynı anda farklı konumlarda bulunma olasılığının sıfır olmadığını söyler. Olayı makroskopik uzayda düşünürsek, aynı bir atomun aynı anda hem İstanbul’da hem Ankara’da bulunması gibi bir şeydir, aklın alabileceği bir iddia değildir, ancak gerçektir. Kuantum fiziğini ilginç kılan, atomik boyutlarda doğanın sergilediği bu garip davranışları sistematize edebilmiş olmasıdır. Kuantum bilgisayarların gücü, farklı vuruların oluşturduğu yeni sesi duyabilmesidir. Klasik bilgisayarlar bunu duyamaz. İyona bağlı elektron dönme durumu, yani elektron saat ibreleri veya tersi yönünde dönmesi ile tanımlıdır. Örneğin elektronun saat ibreleri yönünde dönmesini (1) ile zıt yönde dönmesini (0) ile gösterelim. Bu klasik bilgisayarlara benzer. Ancak doğa atomik boyutlarda klasik fiziğin tanımladığı özelliklerden farklı davranır. İyona bağlı elektronun sadece saat ibreleri veya tersi yönde dönüyor olamaz, ayrıca bu iki durumun üst üste binmesi (süperpozisyonu) yani aynı anda her iki yönde dönmesi de olasılıklardandır. Doğanın bu özelliği kuantum bilgisayarlarını bir teknoloji harikası yapacaktır. Şimdi bu sesi bilgisayarın duyarak nasıl işlem yaptığı an HEM İSTANBUL’DA HEM ANKARA’DA CBT 1336/ 14 26 Ekim 2012 Kuantum kovuğa hapsedilen atom ve foton arasında dolanık durumlar yaratmak, kuantum informatik yani kuantum bilgisayarları hayata geçirmek için kilometre taşlarındandır. Aynı ekip daha sonraları tek fotonu ve atomdan oluşan sistemi, duvarları ayna olan süper kuantum kovukta bir saniyenin onda biri kadar bir süre kararlı halde tutmayı başardı. Böylece bir cins fotonik bellek yaratma imkânı doğdu. Böylece günümüz bilgisayarlarında kullanılan (1,0) bit birimli transistorlara bağlı mantık devrelerinin yerine, yakın bir gelecekte bilgisayarlara kubit bazlı mantık devreleri girecek. Kovuklarda hapsedilen atomların sayısı arttıkça, aynen yongalarda transistor sayısının artmasında olduğu gibi, işlemci kabiliyetleri artacak, yapay zekâ kapasitesi gelişecek ve insan işgücü yerine geçecek robot üretimi patlayacaktır. KUANTUM BİLGİSAYARLARI latılacaktır. Üst çizimde klasik bilgisayarlar işlemcilerinde kullanılan transistorların akımı geçirme ve geçirmeme durumları (1) ve (0) rakamları ile gösterilmiştir. Buna bilgisayar dilinde, bilgi birimi anlamında bit denir. Yukarı yönelmiş ok akımın geçtiğini aşağı yönelmiş ok bloke edildiğini gösterir. Transistor akımı tek yönlü geçiren bir elektronik düzenektir. Kuantum bilgisayarlarda ise bilgi veya işlem birimi klasik bilgisayarlardan farklıdır. İşlemcide Transistor yerine atomik boyutlarda, yani kuantum fiziğinin geçerli olduğu boyutlarda, kafeslenmiş atomlar, donanım olarak kullanılır. Dr. Haroche ve Dr. Wineland bu kafeslenmeyi yani kovuğa atomları hapsetmeyi başarmış olmalarıdır. Kafeslenmiş atom, kuantum bilgisayarlarda transistor yerine kullanılmaktadır. Atoma veya iyona bağlı olan elektron, bir topaç gibi, saat ibreleri veya tersi yönde dönebilir. Alt çizim de bu durum gösterilmiştir. Saat ibreleri yönünde döndüğünde, elektron yüklü olduğundan dönme hareketi iyona bir mıknatıs özelliği kazandırır. Bu özellik çizimde N ve S kutupları ile gösterilmiştir. Klasik bilgisayarlara benzer şekilde bunlar (1) ve (0) rakamları gibi görebiliriz. İyona bu şekilde bakarsak transistorlara dayanan tasarımlardan ileriye gidemeyiz. Ancak iyona bağlı elektron sadece saat ibreleri veya zıt yönde dönmekle kalmaz, aynı zamanda her iki durumun bir süperpozisyonu olan durumda da dönme hareketi yapma olasılığı vardır. Süperpozisyon durumunda bulunan elektron her iki yönde de dönüş yapıyor demektir. Zamanın beli bir bölümünü saat ibreleri yönünde kalanını diğer yönde dönerek geçirir. Bu durumda elektrona giydirilecek bilgi birimi sayıları ile ifade edilir. Kafanızı karıştırmamak için bir miktar daha açıklamaya çalışayım. Transistörlerde olduğu gibi, burada akım ya geçer ya geçmez gibi iki olasılık yoktur. Elektron farklı dönme kuantum durumlarına bilgi veya işlemler tekabül ettirilir. Bu bilgisayar teknolojisinde devrim yapacak bir fiziği ifade eder. 21’nci yüzyıl bilgisayarları bu kabiliyet ile donatılmış olarak hayatımıza girecektir. Klasik bilgisayarlarda akım transistordan ya geçer veya geçmez, yani dijital bit (1) veya (0). Kuantum bilgisayarlarda ise üçüncü olasılık vardır. Bunlar 00, 01, 10, 11 olarak sıralanır ve aynı anda geçerlidirler. Nasıl klasik bilgisayarlarda transistor sayısı artıkça, işlemcinin kabiliyeti artıyorsa, kuantum bilgisayarlarda da kafeslenmiş iyon sayısı artıkça işlemcinin kabiliyeti artar. Aynı anada bir kuantum bilgisayar kafeslenmiş iyon sayısı ile orantılı olarak 2N tane işlem yapabilir. Örneğin: iki iyon kafeslenmiş ise 4, üç iyon kafeslenmiş ise 8, beş iyon kafeslenmiş ise 32, on iyon kafeslenmiş ise 1.024, elli iyon kafeslenmiş ise 1.125.899.906.842.624. Bu basit hesaptan anlaşılacağı gibi kuantum bilgisayarların kabiliyetlerine bir sınır çizmek çok güç olacaktır. Nobel, optik kafeslenmeyi yani atomları kuantum kovuğa hapsetmeyi başaran bilim adamlarına verildi. Atomların kararlı durumda hapsedilmesi önemli bir teknik problemin çözülmüş olduğunu gösterir. Ancak kuantum fiziğinin veya daha doğrusu atomik boyutlarda doğanın sergilediği garip davranışların tümü aşıldığı anlamına gelmez. Burada amacımız bilgisayar dersi vermek değil, bilgisayarların dayandığı fizik ile bilgisayar mühendisliği arasındaki ilişkileri aktarmaktır.