Kuantum ve kuantum dünyası teknolojinin her alanında önemli bir yere sahip. Atom altı parçacıkların belirsizliği gelece devasa bir kapı açarken, özellikle bilgisayar işlemcileri bu kuantum dünyasından öğrendiklerimizle inanılmaz bilişim cihazlarına dönüşüyorlar. Peki CPU’dan farklı olarak bir kuantum işlemci, yani QPU nedir?
Kuantum işlem birimleri dışarıdan bakıldığında GPU ve DPU’lara çok benzer görünebilir. Hepsi tipik o olarak elektriksel devrelerden oluşan yongalar gibi görünüyor, ancak işin detayına indiğimizde QPU çok farklı bir çözüm olarak karşımıza çıkıyor. Kuantum işlemci olarak da bilinen QPU, belirli hesaplama türlerini günümüz bilgisayarlarındaki işlemcilerden çok daha hızlı yapmak için elektronlar veya fotonlar gibi parçacıkların davranışını kullanan bir kuantum bilgisayarın beynidir.
QPU’lar, kuantum mekaniği adı verilen yeni fizik dalında tanımlanan süperpozisyon prensibine dayanıyor. Bir foton veya elektronun durumu belirsizdir. Süperpozisyon ise foton, fonon, elektron vs. gibi parçacıklar için geçerli olan bir duruma verilen isimdir. Başka bir deyişle QPU’lar, bir parçacığın aynı anda birçok durumda olma yeteneğine dayanan tamamen farklı yaklaşım üzerine inşa edilmiştir.
Buna karşılık CPU’lar, GPU’lar ve DPU’ların tümü, klasik fizik ilkelerini elektrik akımlarıyla birlikte hayata geçirir. Bu nedenle günümüzde kullandığımız sistemler artık “klasik bilgisayarlar” olarak tanımlanmaya başladı. QPU’lar kriptografiyi, kuantum simülasyonlarını ve makine öğrenimini geliştirebilir ve zorlu optimizasyon problemlerini çözebilir.
CPU’lar ve GPU’lar, sıfırları veya birleri temsil eden elektrik akımının açık/kapalı durumlarını bit cinsinden hesaplar. Buna karşılık QPU’lar benzersiz güçlerini, birçok farklı kuantum durumunu temsil edebilen kuantum bitleri olan kübitlerde hesaplayarak elde ederler.
Kübit, bilgisayar bilimcilerinin QPU’daki bir parçacığın kuantum durumuna dayalı verileri ifade etmek için kullandıkları bir soyutlamadır. Bir saatin ibreleri gibi, kübitler de olasılıklar küresindeki noktalara benzeyen kuantum durumlarına işaret eder. Bir QPU’nun gücü genellikle içerdiği kübit sayısıyla tanımlanır. Araştırmacılar, bir QPU’nun genel performansını test etmek ve ölçmek için ek yollar geliştiriyor.
Kübit Nedir? Nasıl Tasarlanır?
Kurumsal ve akademik araştırmacılar, QPU içindeki kübitleri inşa etmek için çok çeşitli teknikler kullanıyor. Bugünlerde en popüler olan yaklaşım süper iletken kübit (superconducting qubit) olarak anılıyor. Temel olarak, bu teknikle elektronların iki süper iletken malzeme arasında yalıtkan bir katmandan geçtiği Josephson bağlantıları adı verilen bir veya daha fazla küçük metalik sandwich (yarı iletkenlerde kullanılan bir çözüm) kullanılıyor.
Son çalışmalarla birlikte bu bağlantıların 100’den fazlasını tek bir QPU’da kullanmak mümkün. Süper iletken kübit yaklaşımını temel alan kuantum bilgisayarlar, yüksek teknoloji avizelere benzeyen güçlü soğutma sistemleri ile elektronları mutlak sıfıra yakın sıcaklara soğutarak izole eder. Bazı şirketler kuantum işlemcilerinde kübit oluşturmak için elektron yerine foton kullanır. Bu QPU’lar pahalı ve yüksek güç tüketen soğutucular (refrigerator) gerektirmez, ancak ancak fotonları yönetmek için gelişmiş lazerlere ve ışın ayrıştırıcılara ihtiyaç duyarlar.
Araştırmacılar, QPU’lar içinde kübitler oluşturmak ve bağlamak için farklı yollar keşfediyor. Örneğin bazıları quantum annealing (kuantum tavlama) adı verilen bir analog işlem kullanır fakat bu QPU’ları kullanan sistemlerin sınırlı uygulamaları vardır. Uzun lafın kısası, kuantum bilgisayarlar için halen başlangıç aşamasındayız. Bu nedenle QPU’larda hangi tür kübitlerin yaygın olarak kullanılacağı henüz netlik kazanmış değil.
Karmaşık bilim ve teknoloji sayesinde araştırmacılar, kuantum bilgisayarların içindeki QPU’ların şaşırtıcı sonuçlar vermesini bekliyor. Özellikle dört umut vadeden olasılık konusunda heyecanlılar.
İlk olarak, bilgisayar güvenliğini tamamen yeni bir düzeye taşıyabilirler. Kuantum işlemciler, kriptografide temel bir işlev olan çok büyük sayıları hızla çarpanlarına ayırabilir. Bu da günümüzün güvenlik protokollerini rahatlıkla kırabilecekleri, ancak aynı zamanda yeni ve çok daha güçlü güvenlik önlemleri oluşturabilecekleri anlamına geliyor.
Ek olarak QPU’lar, maddelerin atomik düzeyde nasıl çalıştığını kuantum mekaniği ile simüle etmek için idealdir. Böylelikle daha hafif uçakların tasarımından daha tesirli ilaçlara kadar dünyamızdaki her şeyde etkili olabilecek kimya ve malzeme biliminde temel ilerlemeler sağlayabilir.
Araştırmacılar ayrıca kuantum işlemcilerin klasik bilgisayarların finans ve lojistik gibi alanlarda üstesinden gelemeyeceği optimizasyon sorunlarını çözeceğini umuyorlar. Son olarak, kuantum teknolojisiyle makine öğrenimi farklı bir boyuta taşınabilir.
