“We must make a journey around the world to see if a back door has perhaps been left open.” H.V. Kleist
“Kuantum hesaplama, enerjinin ve maddenin doğasını atomik ve atom altı seviyede açıklayan kuantum teorisi ilkelerine dayanan bir teknolojidir.”
Yeni sosyal davranışlar, toplumsal dönüşümler ve yazılım sistemlerinin geniş yayılımı nedeniyle son yıllarda üretilen veri miktarı daha önce insanoğlunun tasvir edemediği bir mertebede artmaktadır. Bu durum, büyük veri, bulut bilişim, nesnelerin interneti ve analitik gibi yıkıcı teknolojilere dayanan inovasyon ve büyüme için çok önemli bir itici güç haline gelmektedir. Bu nedenle büyük veri ve analitiği, yapay zekâ çözümleri yalnızca yazılım yoğun endüstrileri değil, aynı zamanda sağlık, idare ve eğitim sektörleri gibi kamu hizmetlerini de etkilemekte, verimlilik artışını teşvik etmek için çok önemli bir araç haline gelmektedir.
Bu teknolojilerin uygulanmasındaki zorluk, yazılım ve hizmet sağlayıcıların, hızla artan veri, hizmet ve kullanıcı sayısı doğrultusunda yüksek kaliteli hizmetler sunabilmelerini sağlamaktır. Yazılım ve hizmet sağlayıcıları, kullanıcılarının verilerinin (kullanılabilirlik ve kullanım açısından) korunmasını sağlarken, aynı zamanda sundukları hizmetlerin kalitesini iyileştirmek için bilgilerin kullanımına, sistemler arası geçişine, dağıtık olarak hızlı çözülmesine izin verebilmelidir. Kişiselleştirilmiş uygulamalar, pandemi ile hızlanan e-ticaret ve bilimsel gelişmeler, bizim her gün farklı uygulama ve teknolojileri öğrenmemizi tetikleyen bir süreç haline dönüşmüştür. Böylece, her zaman, her yerde herkes için verilere dayanan (data-driven) hizmetlerin ve kaynakların tam zamanlı kullanılabilirliği konuşulmaktadır. Güncel bilgi teknolojilerinin yenilikçi bir ekosistemi desteklemesiyle, daha önce mümkün olmayan, tamamen yeni çözümler sunan büyük veri (örnek dağıtık sistem mimarileri, dağıtık programlama, saklama vb.) ve yapay zekâ algoritmaları destekli çözümler her gün ortaya çıkmaktadır. En önemlisi ise iş dünyası tamamen bu çerçevede hareket etmeye başlamıştır.
Bu konuların önemini her gün birçok kanaldan takip ediyoruz ve okuyoruz. Ancak bu yazımda bir fizikçi olarak daha ileriye bakmak, kısa da olsa kuantum teknolojilerinden bahsetmek istiyorum.
Bugünün bilgisayarları – hem teoride (Turing makineleri) hem de pratikte (PC’ler, HPC’ler, dizüstü bilgisayarlar, tabletler, akıllı telefonlar, …) – klasik fiziğe dayalıdır. Bu teknolojik sistemlerde yerellik (locality), kısaca gözlemciye göre sistemlerin aynı anda yalnızca tek bir durumda olabileceği klasik gerçeğiyle sınırlıdırlar. Kavramı genişletecek olursak, 1830’larda İngiliz bilim insanı Faraday tarafından önerilen bu fikir, Newton’un Principia’sından sonra fizikteki en önemli kavramsal ilerlemeyi başlatan, Maxwell’e elektrodinamik yasalarının (günümüzde Maxwell denklemleri olarak adlandırılan) formülasyonunda rehberlik eden, özel görelilik ve genel görelilik kuramlarının Einstein tarafından geliştirilmesi sağlayan, önemli bir kavramdır. En basit anlamı ile (yine de ayrıca araştırmanız gerekecek!) yerellik, hiçbir “sinyalin” ışık hızından daha hızlı hareket edemeyeceğine dair makul varsayım anlamına gelir. Klasik fizikte bir eylemin bir noktadan başka bir noktaya etkisinin olması için, bu noktalar arasındaki boşlukta alanın eyleme aracılık etmesi gerektiğini belirterek biraz daha genişletebiliriz (mıknatısların birbirini çekme ya da itme analojisini düşünebilirsiniz). Etki uygulamak için, dalga veya parçacık, etkiyi taşıyan iki nokta arasındaki boşluktan geçmelidir. Böylece, yerellik ilkesine göre, bir noktada oluşan bir olayın başka bir noktada eşzamanlı bir sonuca neden olamayacağını ifade etmektedir.
Bununla birlikte, modern kuantum fiziği bize dünyanın oldukça farklı davrandığı konusunda ipuçları vermektedir. Bir kuantum sistemini ele alacak olursak, aynı anda birçok farklı durumun üst üste binebileceği (süperpozisyon), uzamsal (sınırları belli olan yer, bölge, aralık veya boşluk) olarak ayrılmış kuantum sistemleri birbirine karışabileceği (interference) ve bu nedenle işlemlerin “yerel olmayan (non-local)” etkileri olabileceği anlaşılmıştır!
Böylece, klasik bakış açısının ötesinde, kuantum hesaplama ve kuantum mekaniği ilkelerine dayalı olarak kuantum teknolojileri, bilgisayarların hesaplama gücü ve diğer özellikleri konusunda bizleri heyecana sevk eden bir başlık olmaktadır. Burada ki en önemli hedef, aynı problemi çözen, herhangi bir klasik algoritmadan daha hızlı olan kuantum algoritmaları oluşturmaktır. Böylece daha önce sahip olmadığımız mertebede veri akışını oldukça hızlı çözümleyebilen, bizim algılarımızın ötesinde hesaplayıcılar, şifreleyiciler, çözümleyiciler vb. uygulamaların mümkün olduğu gerçeğine yavaş yavaş hazırlanmalıyız.
Kuantum bilgisayarları anlamak için pratikten felsefi olana kadar üç farklı motivasyondan bahsedebiliriz:
- Mevcut klasik bilgisayarları bu kadar güçlü ve ucuz yapan küçültme, entegrasyon ve optimizasyon süreçleri, kuantum etkilerinin meydana geldiği mikro seviyelere çoktan ulaşmıştır (nanometre). Çip üreticileri, bu kuantum efektlerini bastırmak için teknolojik olarak büyük çaba sarf etme eğilimindedir. Ancak bunun yerine, bu öneriler çerçevesinde çalışarak daha ileri seviye teknoloji gelişimi mümkün gözükmektedir.
- Kuantum çözümlerinden yararlanmak, bazı hesaplamaların inanılmaz bir şekilde hızlandırmasına izin vermektedir, hatta klasik bilgisayarlar için imkansız olan bazı durumları (kripto, algoritma vb.) etkinleştirmektedir. Normalde üssel olarak gelişen karmaşıklığa sahip olan algoritmalar, bir kuantum bilgisayarın gözünden bakıldığında karmaşıklıkta yalnızca doğrusal büyümeye sahip olmaktadır. Bu nedenle daha önce optimal olarak çözdüğümüz problemleri tekrar çözerek, kuantum çözümlemelerinin detaylarının anlaşılması sağlanacak, yeni bir bakış açısı getirilecektir. Bu nedenle şu anda tüm dünya elde var olan klasik algoritmik ve kriptoloji çözümlerini kuantum bakış açısı ile anlamaya çalışmaktadır.
- Son olarak, kuramsal bilgisayar biliminin temel amacı “Doğanın bize izin verdiği olası en güçlü hesaplama cihazlarının gücünü ve sınırlamalarını incelemek” olarak ifade edilebilir. Şu anki doğa anlayışımız içine son zamanlarda aktif olarak giren kuantum mekaniği ve çözümleri çerçevesinde, teorik bilgisayar bilimi muhtemelen klasik bilgisayarların değil, kuantum bilgisayarların gücünü araştırmalıdır. Böylece klasik, gelenekçi eğitim süreçlerinin tekrar yapılandırılması, nanometre ölçeğinde kuantum çözümlerinin klasik mühendislik bakış açılarına eklenmesi gerekmektedir. Fizik çözümlerinin ve kuantum bakış açısının karmaşıklığı ve/veya zorluğu değil, mühendislik uygulamaları ile nasıl geliştirilebilir/uygulanabilir olacağı bir çağa başladığımızın farkında olmalıyız.
Büyük veri ve yapay zekâ çözümleriyle birlikte klasik ve kuantumun bakış açıları bulut bilişimin esnek doğası bir araya getirilmektedir. Kuantum bilişimin güçlü, özel problem çözme yeteneklerinden yararlanmak ve çalışma potansiyelini incelemek gelecekte çok daha önemli bir başlık haline gelecektir. Günümüzde araştırmacılar klasik hesaplama zorluklarına karşı kuantum çözümlerini incelemektedirler. Ancak gerçekte zorlu ve karmaşık problemleri çözmek için, daha önce fizik problemlerinin ele alınış biçimi ile ilintili olarak, uyumlu bir şekilde çalışan ikili bir yaklaşım bakış açısının en doğrusu olacağı düşünülmektedir. Her ikisinin de güçlü yönleri bulunmakla birlikte, geliştirme, kuantum teknolojilerinin (en azından ilk zamanlarında) var olan çözümün bir parçası olarak işlev görmesi beklenmektedir. Her iki bilgi işlem formatı (bit ve qbit) da ilerlemeye devam edecek, ancak geleneksel CPU/GPU’lar ve ASIC’ler (Application Specific Integrated Circuit – Uygulama Spesifik Entegre Devreler) günümüzde iş yüklerini hızlandırırken, aynı zamanda kuantum hesaplamanın gücünden yararlanma yeteneği daha detaylı araştırılmaktadır. Kuantum hesaplama ve kuantum teknolojileri daha geniş çapta erişilebilir hale geldikçe, yapay zekâ ve büyük veri çözümleri ile birlikte harmanlanarak daha önce tasvir edemediğimiz çözümleri yapabileceğimizi şimdiden öngörebiliyoruz. Şu anda geliştirme aşamasında olsa da kuantum biliminin ulusal güvenlik ve haberleşme trafiği için önemli etkileri olacağı düşünülmektedir. Hükümet liderlerinin, bugün basit pragmatik adımlar atarak, kuruluşlarını kuantum geleceğine hazırlamaları gerekmektedir.
“Because things are the way they are, things will not stay the way they are.” B. Brecht