Kuantum bilgisayarlar hakkında size gösterecek on soru
1981'de International Journal of Theoretical Physics, "Fiziği Simüle Etmek İçin Bilgisayarları Kullanmak" [1] başlıklı bir makale aldı:
Feynman, 1981'de sunduğu makalesinde kuantum bilgisayarlardan bahsetti. (Resim kaynağı: Feynman)
Bu makalenin yazarı, makalesinde ilk kez yeni bir bilgisayar-Kuantum Bilgisayardan bahseden Nobel Fizik Ödülü Sahibi Feynman'dır.
Bugün, kuantum bilgisayarlar uzun zamandır sıcak bir kelime haline geldi ve en son araştırmaların keşiflerinin çoğunda, "bu keşfin kuantum bilgisayarlara uygulanabileceği" sıklıkla görülüyor. Birçok insan bunun yeni nesil bilgisayar olduğunu biliyor, ancak arkasındaki temel ilkeleri bilmiyorlar. Özellikle "kuantum" kelimesi onu daha da gizemli kılıyor. Aşağıda on soruyla onun gizemini ortaya çıkaracağız.
-Q1-
Kuantum bilgisayar nedir?
Kullandığımız bilgisayarın çalışması (onu ayırt etmek için aşağıda geleneksel bilgisayar diyeceğim) kesinlikle mantık kanunlarına uymaktadır. Ancak elektronlar veya fotonlar gibi küçük kuantum nesneleri bu kuralları ihlal edebilir.
Geleneksel kuantum kurallarını çiğneyen bunlara dayanarak, kuantum bilgisayar fikri doğdu ve bilgiyi yepyeni bir şekilde işler. Bazı açılardan, bilgi işlem hızları klasik bilgisayarlara kıyasla katlanarak artar.
Kuantum bilgisayarlar, veri güvenliği için çok büyük bir tehdit oluşturmaktadır. (Resim kaynağı: BGR)
Örneğin, kuantum bilgisayarlar bilgi güvenliği mekanizmalarını kolayca kırabilir. Artık görüntülemekte olduğunuz e-postalar ve banka verileri güvenlik gizli sistemi tarafından korunmaktadır.Tüm kullanıcılara farklı genel anahtar setleri vererek yalnızca sizin şifresini çözebileceğiniz bilgileri şifreleyebilirsiniz. Sorun şu ki, açık anahtarı alan kişi anahtarınızı hesaplayabilir. Neyse ki, bu görevi geleneksel bir bilgisayar kullanarak tamamlamak için yıllarca hesaplama yapılması gerekir ve bunu sürekli deneme yanılma sonrasında çözmenin bir yolu vardır. Ancak kuantum bilgisayarlar aracılığıyla kredi kartlarını, eyalet sırlarını ve diğer gizli bilgileri hızla kırmak söylenecek bir şey değil.
-Q2-
Kuantum bilgisayarlar geleneksel bilgisayarların yerini alabilir mi?
Kuantum bilgisayarların işlem hızının geleneksel bilgisayarlardan çok daha hızlı olduğunu söylediğimizde, gerçekten de bilim insanlarının şu anda kullandığımız geleneksel bilgisayarların yerini alabilecek kuantum bilgisayarları başarıyla geliştirip geliştiremeyeceğini yanlış anlamak kolaydır.
Kuantum bilgisayar tamamen "kuantum" değildir, temel çalışmayı tamamlamak için hala bir dizi elektronik cihaza ihtiyaç duyar. (Resim kaynağı: Naoya Fujishiro)
Gerçek şu ki, hiçbir koşulda daha hızlı değil, sadece belirli görevlerde çok iyi performans gösteriyorlar. Sadece yüksek çözünürlüklü filmler izlemek, web'e göz atmak veya dosyaları işlemek istiyorsanız, kuantum bilgisayarlar herhangi bir ilerleme sağlamayacaktır. Bir kuantum bilgisayarın daha hızlı işlem hızının büyüsü, her adımı daha hızlı işlemesi değil, işlem adımlarının sayısını azaltmasıdır (aşağıda daha fazla tartışılmıştır), ancak yalnızca belirli hesaplamalarda. Bu nedenle geleneksel bilgisayarların yerini alamaz.
-Q3-
Kuantum bilgisayarlar ne için kullanılabilir?
Kuantum bilgisayarlar, geleneksel bilgisayarlarla çözülemeyen sorunları çözmek için devlet kurumlarında, Ar-Ge şirketlerinde ve üniversitelerde yaygın olarak kullanılmalıdır.
1981'de Feynman, tezinde ilk olarak bir kuantum bilgisayarı önerdi ve bu, kuantum sistemlerini simüle etmek için kullanılabilir. (Resim kaynağı: Feynman)
Feynman bir kuantum bilgisayar önerdiğinde, ilk pratik kullanımını düşündü: Analog kuantum sistemi . Kuantum fiziğini simüle etmek için neden kuantum bilgisayarları kullanmıyorsunuz? Bu parlak bir fikir. En azından kimya ve biyoloji üzerinde büyük bir etkisi olacak. Örneğin, kimyagerler ilaçlar arasındaki etkileşimleri doğru bir şekilde simüle edebilirken, biyologlar protein katlanmasının olası tüm yollarını ve bunların etkileşimlerini inceleyebilirler.
Kuantum bilgisayarlarla ilgili ilk araştırmanın tamamen akademik merakın dışında olmasına rağmen, 1994 yılında, Bell Labs'den matematikçi Peter Shor, büyük sayıların çarpanlara ayrılması için bir algoritma önerdi [2] (büyük sayı faktörleri) Ayrıştırma, insanların kuantum bilgisayarlara olan ilgisini ve coşkusunu uyandıran, aşağıdaki örnekte gösterildiği gibi, büyük sayıların asal faktörlerinin ayrıştırılmasına atıfta bulunur. Çok büyük sayıdaki geleneksel bilgisayarların ayrıştırılması milyarlarca yıl sürebilir, ancak Shore'un yöntemiyle çözülmesi yalnızca birkaç saat sürer.
15'in asal çarpanı 3 × 5 ve 91'in asal çarpanı 7 × 13'tür. 232 basamaklı bir sayının asal çarpanı nedir? (Fotoğraf kredisi: Jose-Luis Olivares / MIT)
Kuantum bilgisayarların ayrıca, görüntülerdeki farklı nesneleri tanımlamak gibi makine öğrenimi sorunları için yararlı olan veri modellerini tanımada büyük bir avantajı vardır. Uzun vadeli hava durumu tahminleri gibi geleceği tahmin eden modeller oluşturmak için de kullanılabilirler.
Bunlar sadece öngörülebilir bazı kullanımlar, ancak sonuçta kuantum bilgisayarların yetenekleri tahmin edilemez. 1943'te IBM'in başkanı Thomas Watson, "Sanırım dünyanın sadece beş bilgisayara ihtiyacı var" dedi. Artık her evde beş bilgisayar olabilir.
Kuantum bilgisayarların potansiyeli de düşünülemez.
-Q4-
Kuantum bilgisayar nasıl çalışır?
Geleneksel bilgisayardaki çip modüller içerir, modüller mantık kapıları içerir ve mantık kapıları transistörler içerir. Transistör, bir bilgisayar işlemcisinin en basit biçimini temsil eder. Basitçe söylemek gerekirse, bilgileri engelleyebilen ve iletebilen bir anahtardır. 1 sayısını saklamak için "açık" ve 0 sayısını saklamak için kapalı kullanıyoruz. Her 0 veya 1 bir ikili sayıyı (yani bit) temsil eder. Bitler, en küçük bilgi birimini temsil eder.
Bitler yalnızca 1 veya 0'ı saklayabilirken, kübitler aynı anda birden fazla değeri saklayabilir. (Resim kaynağı: https://universe-review.ca/R13-11-QuantumComputing.htm)
Ve kuantum bilgisayarların verileri depolamak için kullandığı nesne " Qubit ", 0 veya 1'i saklayabilir. Ancak çılgın olan şey, kübitlerin aynı zamanda" Süperpozisyon durumu Yani, bir kübit aynı anda 1 veya 0'ı veya hem 1 hem de 0'ı depolayabilir ve 0 ile 1 arasındaki tüm olası üst üste binme durumlarını temsil edebilir. Bu belirsizlik aynı anda "evet" ve "hayır" olabilir. Kuantum bilgisayarların eşsiz cazibesi.
Kübitin hangi durumda olacağını tahmin edemeseniz de, onu ölçtüğünüz an sabit bir duruma düşecektir.
-Q5-
Kuantum süperpozisyon durumunun doğası oyunun kurallarını nasıl değiştirir?
Geleneksel bilgisayarlar ile kuantum bilgisayarlar arasındaki temel fark, sorunları çözme şekillerinde yatmaktadır.
Geleneksel bilgisayarların bir sorunu çözme şekli, bir labirentten kaçmaya benzer - tüm olası yürüyüş yollarını deneyin ve sonunda çıkışı bulana kadar yolda çıkmazlarla karşılaşacaksınız. Süperpozisyon durumunun büyüsü, bir kuantum bilgisayarın tüm yolları aynı anda denemesine izin vermesidir, yani hızlı bir şekilde bir kısayol bulacaktır.
Geleneksel bir bilgisayardaki iki bit, dört farklı kombinasyona sahip olabilir (ör. 00, 01, 10 veya 11), ancak bunlar bir seferde bu durumlardan yalnızca birinde olabilir. Bu, tıpkı bir labirentte bir koridoru denemek gibi bilgisayarın işlem hızını sınırlar.
Dört bitin 16 farklı kombinasyonu vardır, ancak bir seferde bunlardan sadece biri temsil edilebilir. (Resim kaynağı: Kurzgesagt)
Bir kuantum bilgisayarda, iki kübit ayrıca dört duruma (00, 01, 10 veya 11) sahiptir. Aradaki fark, süperpozisyon durumu nedeniyle, iki kübit bu dört durumda aynı anda olabilir. Aynı anda paralel çalışan dört geleneksel bilgisayara benziyor.
Geleneksel bir bilgisayara daha fazla bit eklenirse, yine de bir seferde yalnızca bir durumu işleyebilir. Ancak kübit eklediğinizde, kuantum bilgisayarların yetenekleri katlanarak artacaktır. Matematiksel olarak konuşursak, "n" kübit varsa, aynı anda 2 n'inci güç durumunu temsil edebilirler.
Ünlü bir efsanede satrancın mucidi Sessa, kralından bir ödül istedi ve satranç tahtasının ilk karesini icat ettiği için bir pirinç tanesi almayı umduğunu söyledi. Izgara iki pirinç tanesi alır çünkü üçüncü ızgara dört tane pirinç alır, bu yüzden sonraki her ızgara pirinç miktarını ikiye katlar. Kral hemen kabul etti, ancak daha sonra hazinenin tüm pirincinin bile satranç tahtasını dolduramayacağını anladı! Bu, üstel büyümenin gücüdür.
20 kübit, paralel olarak yaklaşık 1 milyon değer depolayabilir. (Resim kaynağı: Kurzgesagt)
Tıpkı yukarıdaki her grid metre miktarını ikiye katladığı gibi, her ilave kübit işlem gücünü ikiye katlar. Üç kübit aynı anda 8 (= 2³) durumu temsil edebilir; dört kübit aynı anda 16 (= 2) durumu temsil edebilir. 64? 18.446.744.073.709.600.000 (= 2) olasılığını elde edeceksiniz!
64 bit aynı zamanda 2 durumu temsil etse de, bir seferde bunlardan yalnızca birini temsil edebilir. Tüm bu kombinasyonları geri dönüştürmek için modern bir kişisel bilgisayar 400 yıl sürer.
Bunların hepsi kuantum bilgisayarların üstünlüğünü gösteriyor. Günümüzde geleneksel bilgisayarların yerini alamasa da, kuantum bilgisayarlar geleneksel bilgisayarlar için "neredeyse imkansız görevleri" çözebilir.
-Q6-
Kuantum süperpozisyon durumunun yanı sıra, başka önemli özellikler var mı?
Ancak üstel hesaplama hızı elde etmek için tüm kübitlerin " Kuantum dolanıklığı Einstein, kuantum dolanıklığından "hayaletimsi süper mesafeli eylem" olarak bahsetti (ayrıntılı tartışma için lütfen "Evren Çan Deneyi" ni okuyun).
İki dolaşık parçacık. İlk başta iki parçacık yukarı veya aşağı dönüş durumundadır.Birinin dönüş durumunu bildiğimizde, birbirinden ne kadar uzakta olursa olsun diğerinin dönüş durumunu hemen biliyoruz. (Resim kaynağı: Jen Christiansen)
Örneğin, yukarıdaki şekilde, başlangıçta birbirine dolanmış olan iki parçacık, yukarı veya aşağı dönme ile süperpozisyon durumundadır. İlk parçacığın dönüşünün yukarı doğru olduğunu ölçüm yoluyla öğrendiğimizde, ikinci parçacığın dönüşü, evrenin iki ucundan ayrılmış olsalar bile aşağı doğru olmalıdır. Birden fazla kübit dolandığında, bir kübitin çalışması diğer tüm kübitleri anında etkileyecektir, bu da benzeri görülmemiş paralel hesaplama gücü anlamına gelir.
Kuantum süperpozisyon durumunun ve dolaşıklık özelliklerinin ustaca kullanılması, kuantum bilgisayarların verimliliği geleneksel bilgisayarlara kıyasla katlanarak artacaktır. (Resim kaynağı: Kurzgesagt)
-Q7-
Kübit nasıl yapılır?
Bilim adamları, kübit yapmak için bazı yöntemlerde ustalaştı. Örneğin, bir Tek foton Bu bir tür kübittir. 0 ve 1'in olası durumları, fotonların yatay veya dikey polarizasyonu gibidir.Kantum dünyasında, fotonlar tüm polarizasyon durumlarını aynı anda sergileyebilirler. Filtreye bir foton gönderene kadar, bunun dikey mi yoksa yatay mı polarize olduğuna karar vermesi gerekir.
Süperpozisyon durumunda foton. Bir filtreden geçene kadar kendi polarizasyon durumunu belirlemeyecektir. (Resim kaynağı: Kurzgesagt)
Bir Çekirdek Aynı zamanda bir tür kübittir. Manyetik momenti ("dönüş") yönü farklı yönlere işaret edebilir ve güçlü bir manyetik alan altında yukarı doğru (1'i temsil eder) veya aşağı doğru (0'ı temsil eder) olabilir. New South Wales Üniversitesi'nden fizikçi Michelle Simmons liderliğindeki bir ekip, silikon bir kafese bir fosfor atomu yerleştirerek tek bir atomik kübit üretmeyi başardı [3].
Simmons'ın ekibi silikon kübit yapmanın üç yönteminden ilkini benimsedi: fosfor atomlarını silisyum içine gömmek. (Resim kaynağı: COSMOS MAGAZINE / UNSW)
Başka bir yöntem de atomdaki elektronları soyarak iyon . Daha sonra iyonu askıya almak ve durumunu değiştirmek için lazer darbeleri yaymak için bir elektromanyetik alan kullanılabilir. Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'ndeki araştırmacılar, bir kuantum bilgisayarı oluşturmak için iyon tuzağında hapsolmuş 5 atom kullandılar ve 15 asal faktörünü doğru bir şekilde ayrıştırmak için her bir atomda Shore algoritmasını başarıyla uyguladılar [4] .
Ek olarak, Süperiletken hattı Elektromanyetik salınımlar, kübit olarak da kullanılabilir. Bu çizgiler kübit olarak 0 (içinden foton geçmez) veya 1 (mikrodalga foton) değerlerini alabilir. Google tarafından geliştirilen kuantum bilgisayar bu şemayı kullanıyor.
Katıda elektron spini Bir çeşit kübit kullanmak da mümkündür.Bu imalat yöntemi, elmastaki karbon atomları gibi katı malzemelerdeki kusurları kullanır. Kristal kafesteki karbon atomlarından biri bir nitrojen atomu ile değiştirilirse ve bitişik bir atom elimine edilirse, bir nitrojen deliği oluşacaktır. Bu delik, nitrojen boşluk (NV) merkezidir. NV'nin merkezindeki ve çevresindeki komşulardaki nitrojen atomları kübit olur ve spin durumları 0 ve 1'i temsil edebilir.
Kübitler artmaya devam ettikçe, kuantum özelliklerini korumak daha zor hale geliyor. Bu sorunu çözmek için bilim adamları, "kuantum bilgisayarların modülerleştirilmesi" adlı bir çözüm önerdiler. Küçük kuantum bilgisayarlar oluşturarak ve ardından bunları büyük ölçekli kuantum bilgisayarlara bağlamak için özel yöntemler kullanarak. Resim, kuantum bilgisayar modülleri oluşturmak için üç farklı tür kübit kullanımını gösterir ve modüller arasında bağlantı için fotonlar kullanılır. (Resim kaynağı: Jen Christiansen)
-Q8-
Kübitlerden bilgi nasıl okunur?
Basit bir örnek vermek gerekirse, varsayalım ki 64 kübitlik bir kuantum bilgisayarınız var ve onu ilk kez çalıştırıyorsunuz. Bu 64 kübit, tıpkı masadaki 64 bozuk paranın dik durması gibi, üst üste binme durumundadır. Toplam 2 tür olası belirsiz durum vardır. Ancak eyaletlerden birinin doğru cevap olduğunu biliyorsunuz. Ama hangisi o?
Sorun şu ki, tıpkı yumruğunuzla bozuk para dolu bir masaya vurduğunuz gibi, bir kübit okumak süperpozisyonun çökmesine neden olacaktır.
Şu anda kuantum algoritmaları (Shore'un algoritması gibi) işe yarıyor, kübitleri sağ tarafa yükleyecek ve doğru cevabı verecek.
-Q9-
Kuantum bilgisayar geliştirildi mi?
Hayır. Şu anda, işin çoğu hala araştırma aşamasındadır.Bilim adamlarının amacı, belirli sayıda kübit hazırlamak (pratik değere sahip olmak için en az binlerce veya milyonlarca kübite ihtiyaç vardır) ve bunları depolayabilir ve çalıştırılabilir hale getirmek için birleştirmektir. Kuantum işlemci. Örneğin, 2016'da Google araştırmacıları 9 kubitlik bir kuantum bilgisayar inşa ettiler [5].
D-Wave 2000Q. (Resim kaynağı: D-Wave)
Şu anda, D-Wave, tüm kuantum bilgisayarların gelişiminin ön saflarında görünmektedir. Geçen ay 2000Q sistemi [6] adı verilen en son kuantum bilgisayarı yükselttiler. Adından da tahmin edebileceğiniz gibi, bu sefer kuantum bilgisayarları 2000 kübit içeriyor, bu da öncekinin iki katı. D-Wave, en büyük faydayı elde etmek için optimize edilmiş uçak rotalarını düzenlemek gibi optimizasyon problemlerini çözmede oldukça iyi performans gösterdi. Ancak çoğu fizikçi D-Wave'in gerçek bir kuantum bilgisayar inşa edip etmediğinden şüphe ediyor.
Öte yandan, Aralık 2016'da Intel, ultra saf silikon gofretler üzerine birden fazla kübit oluşturduğunu duyurdu. Pek çok insan, kullandıkları yöntemin kübitleri daha hızlı genişletebileceği konusunda iyimser [7].
-Q10-
Karşılaştığımız başlıca zorluklar nelerdir?
Teoride bir kuantum bilgisayarın neye benzeyeceğini bilsek de, kübitleri birleştirmekten, bilgi okuma ve yazmaya, kuantum özelliklerini korumaya kadar her seviyede zorluklar var.
Bir kübit, bir süperstar gibidir. Bu Hollywood yıldızlarının kocaman ve gül dolu bir giyinme odasına ihtiyacı olsa da, kübitlerin mükemmel bir izolasyon ortamında yalnız kalmaları ve çok düşük sıcaklık koşullarında (mutlak sıfırın hemen üstünde) olmaları gerekir. . Çevreleyen atomlardan herhangi bir küçük rahatsızlık, kübitin süperpozisyon durumunun büyüsünü kaybetmesine neden olacaktır.
Bununla birlikte, en büyük zorluk, süperpozisyon durumunun ve dolaşık durumunun, kuantum bilgisayarların işlemleri gerçekleştirmesine izin verecek kadar uzun süre nasıl sürdürüleceğidir.
Nihayet gerçek bir kuantum bilgisayarı inşa etmenin ne kadar süreceğini veya mümkün olup olmadığını bilmiyoruz. Bu çok zor bir şey olsa da, ilk pratik kuantum bilgisayarı oluşturma yarışı çoktan başladı.Bu arenada dünyanın dört bir yanında binlerce fizikçi, mühendis ve birçok araştırma enstitüsü ve şirketi var. Kuantum bilgisayarlar yapmak, bu yüzyılın en büyük bilimsel zorluklarından biri haline geldi.
Referans kaynağı:
[1] https://people.eecs.berkeley.edu/~christos/classics/Feynman.pdf
[2] https://arxiv.org/pdf/quant-ph/9508027v2.pdf
[3] https://cosmosmagazine.com/physics/a-quantum-leap
[4]
[5]
[6] https://www.dwavesys.com/press-releases/d-wave%C2%A0announces%C2%A0d-wave-2000q-quantum-computer-and-first-system-order
[7] https://www.technologyreview.com/s/603165/intel-bets-it-can-turn-everyday-silicon-into-quantum-computings-wonder-material/
