Kuantum bilgisayarlara doğru

[devimsel]

Jeremy O'Brien ilk kuantum bilgisayar prototipinde başarılı oldu.

Bilgisayarlarda bildiğimiz hız sınırlarını alt üst edecek kuantum bilgisayarlara doğru ilk başarılı deney gerçekleştirildi.

İngiltere'de Bristol Üniversitesi'nden araştırmacılar bir optik kuantum bilgisayar çipi prototipi oluşturmayı ve bu prototiple ilk kez bir matematiksel işlem gerçekleştirmeyi başardılar. Prototip, bir silikon çip üzerinde bulunan çok küçük boyutlarda silis dalga kılavuzlarından oluşuyor ve Shor algoritması olarak bilinen kuantum hesaplama yönteminin bir versiyonunu gerçekleştiriyor. Araştırmacılar, elde ettikleri sonucun, pratik anlamda kullanılabilir gerçek kuantum bilgisayarları üretmek yolunda önemli bir adım olduğunu vurguluyorlar.

Klasik fiziğin geçerliliğini yitirdiği ve yerini kuantum fiziğine bıraktığı küçük ölçeklerde işlem yapan cihazlarla yapılan hesaplamaya kuantum hesaplama deniyor; bu cihazlar teorik olarak tasarlanabilmekle birlikte ilk örnekleri günümüzde oluşturulmaya başlandı.

Ekip, prototipi 15 sayısının asal çarpanlarını hesaplamak için çalıştırdı ve 3 ve 5 sayılarını elde etti. Bir sayının asal çarpanlarının bulunması, güvenli internet iletişimi için kullanılan şemalar gibi modern şifreleme şemalarının kritik bir parçasını oluşturuyor.

Klasik bilgisayarlar işledikleri bilgiyi 0 ve 1 gibi iki durumda bulunabilen "bit"ler şeklinde kullanabilirken bir kuantum bilgisayarı parçacıkların aynı anda birden fazla durumunun "üstüste bulunabilmesi" (superposition) özelliğinden yararlanabiliyor. Böyle bir cihaz, prensipte, bir takım işlemlerde klasik bir bilgisayardan daha iyi iş görebiliyor. Örneğin bugün olası tüm sonuçları tek tek deneyerek güvenilir bir şifreyi kırmak yıllar alabilirken, kuantum bilgisayarlar paralel çalışabilen yapısı dolayısıyla bu süreyi teorik olarak saniyeler mertebesine düşürebiliyor.

Ancak uygulamada fizikçiler en basit kuantum bilgisayarı bileşenlerini oluşturmak için dahi büyük çabalar sarfettiler. Bunun sebebi, kuatum bitlerin (qubit) kırılgan doğası. Bir kuantum bitin durumunun çevresel faktörlerden çok hassas şekilde etkilenmesi bilgi iletimini, depolanmasını ve işlenmesini ciddi anlamda zorlaştırıyor.

İdeal kuantum bitler
En popüler kuantum bit seçeneğini fotonlar, yani ışık oluşturuyor, çünkü fotonlar fiber optik kablolar üzerinden ve hatta havadan çok büyük mesafeleri durum değiştirmeden katedebiliyor. Bunun sebebi tek tek fotonların normalde birbirleriyle etkileş*******i. Bununla birlikte, bu özellikleri nedeniyle fotonları kullanarak bilgi işleyecek cihazlar yapmak sorunlu hale geliyor; zira böyle cihazların çalışması için fotonların birbirleriyle etkileştirilmesi gerekiyor.

2003 yılında Jeremy O'Brien ve Avustralya Queensland Üniversitesi'nden araştırmacılar, tekil fotonlar için ilk CNOT geçidini üreterek bu sorunu çözdüler. Dijital elektronikte, belirli mantık işlemlerine karşılık gelen belirli fiziksel işlemler bu işlemler için geliştirilmiş "geçit"ler sayesinde gerçekleştiriliyor ve bu sayede bilgi iletiliyor, depolanıyor ve işleniyor. Bir CNOT geçidinin "hedef" ve "kontrol" olmak üzere iki girdisi bulunuyor ve bu geçidin herhangi bir kuantum bilgisayarının temel bir yapıtaşı olacağı düşünülüyor. Bununla birlikte bu ilk geçit, ayna ve demet ayırıcılar gibi konvansiyonel optik enstrümanlar kullanılarak oluşturuldu ve düzenek bütün bir laboratuar masasını kaplıyordu.

Geçen yıl O'Brien tarafından Bristol'de geliştirilen daha yeni bir versiyon aynı CNOT geçidinin yüzlerce versiyonunu yalnızca bir milimetre büyüklükte bir parça silikonun içerisine yerleştirilmiş olarak içeriyordu. Bu cihaz ayna ve demet ayırıcılar yerine akuple (birbirine bağlı) dalga kılavuzları kullanıyordu. Bu dalga kılavuzları, iyi bilinen endüstriyel süreçlerle, silikon substratların üzerinde mikron genişliğinde ışığa geçirgen silisten kanalların büyütülmesi ile üretilebiliyor.

Kaynak

[devimsel]

Bugünün en hızlı bilgisayarı şimdiden müzelik olmaya aday. Optik-bilgisayarlar gerçi yolda, ama fizikçilerin en büyük düşü: Nicem (Kuantum) bilgisayarları. Kum tanesi büyüklüğünde mikro elektronikler, ağlarda bütünleşecek. Nicem (Kuantum) işlemcileri en karmaşık fizik kurallarıyla dahi baş edebilecek.


Fizikçiler, bilgisayar, hesaplaşma, haberleşme vb alanlarında en son gerçekleştirilecek olan proje üzerinde çalışıyorlar: Nicem (Kuantum) bilgisayarları. Kuramsal olarak artık herşeyi bilinen bu muazzam projenin pratikte nasıl gerçekleştirileceği konusunda laboratuvarlarda yoğun çalışmalar yapılıyor. Bütün mesele, atomlara hükmedebilmek ve onları belirli kurallar, belli sistem dahilinde çalıştırabilmek.

Fizikçiler, pratikte atomları tek tek ‘yakalamayı’, hatta onları vakumda durdurmayı, inci gibi sıraya dizmeyi başardılar. Nicem (Kuantum) bilgisayarları, fizikçilerin 21. yüzyıldaki en büyük projelerinden biri.

Örneğin bu çalışmaların yapıldığı bir laboratuvarda görünüm;

Alacakaranlığa bürünmüş laboratuvarda mavi ve yeşil lazer ışınlarından oluşan bir örümcek ağı, düzinelerce aynalar yardımıyla birbirine bağlanmış. Arka planda turbo pompalarının çalışma sesleri duyulurken, osiloskoplar mekanizmadaki tepkiyi ölçüyor.

Burada aslında ne tür işlemlerin yapıldığı çıplak gözle pek anlaşılmıyor. Vakum hücresinin içine son derece duyarlı bir kamera yerleştirilmiş. Fizikçi Ekkehard Peik, bazı tuşlara dokunduğunda ekranda bir ışık noktası beliriyor, tıpkı uzayda bir güneş gibi. Ve birkaç saniye sonra ikinci bir güneş daha doğuyor: Bunlar kameranın görüş alanına giren iki magnezyum atomu.

Max-Planck Enstitüsü, Kuantum Optiği bölümündeki (Garching, Münih) araştırmacılar, atomları manipüle ediyorlar. Uzun süredir egzotik bir sanat eseri olarak yorumlanıyordu bu sistem, ama artık olanaksız olanaklı oluyor ve bilgisayarı hız, kullanma ve hesaplama açısından yepyeni bir düzeye çıkartacak ‘Nicem (Kuantum)Bilgisayarı’nın pratik sorunları çözülmeye çalışılıyor.

Buna şiddetle gereksinim var, çünkü bugünkü silisyum çipinin artık daha fazla geliştirilemeyeceği zamanlar göründü. 35 yıldan bu yana mikroçiplerin üzerinde iki misli artış gösteren transistorlarla birlikte, işlem kapasitesi de 18 ayda bir, aynı oranda güçleniyor.

Ancak teknologların düşüncelerine göre mikroçipler, 2020 yılından önce daha fazla geliştirilemeyecek. Çünkü üzerlerinde yalnızca çok az sayıda elektron barındırabilecek kadar küçülecekler. Yani kullanım sınırlarına gelinecek.

Silisyum çipinden sonra ne gelecek peki? Arada bir dizi bilgisayar modeli var: Optik, biyo falan.. Ama bütün bunlar sadece ara aşama ve hesaplama gücünde en büyük devrim yaratacak olan tabii ki Nicem (Kuantum) bilgisayarı! Bu tür bir bilgisayar, yığınla veri bankasını yıldırım hızıyla tarayacağı gibi, alıştığımız bilgisayar kavramını, içerdiği bütün boyut ve anlamlarıyla çöpe atacak. Fizikçiler, laboratuvarlarında Nicem (kuantum) bilgisayarlarının işlem birimini oluşturacak olan atomları görüntülüyor, onları yönlendiriyor ve temel hareketlerini düzenlemeye çalışıyorlar.

Atomların saptanması bile çok zor bir iş: Alüminyum folyoya sarılı aparatın içinde son derece güçlü bir vakum sistemi işlemekte. İçindeki küçük döküm potasında fizikçiler magnezyumu ısıtıyorlar. Ve atomlar tıpkı çaydanlığın düdüğünden çıkan buhar gibi boşluğa savruluyor. Araştırmacılar atomları durdurarak içlerinden birkaç tane elektron kapıyor.

Uzmanlar bu işlemden sonra buharın üzerine lazer ışınları gönderiyor. Magnezyum iyonları durduruluyor ve tuzağa düşürülüyor. Ve birbirine dirençli elektrik güçler tarafından kuşatılmış atomlar sonunda duruluyorlar. Ekip yöneticisi Herbert Walther, ‘atomları inci gibi dizebiliyoruz’ diyor.

Magnezyum iyonu kuantum bilgisayarının ‘Qu-bit’ görevini yerine getirecek: Tıpkı klasik bir bilgisayarın 0 veya 1 sistemine sahip bir Bit değerindeki bellek hücresi gibiÉ kuantum bilgisayarındaki ‘Qu-bit’ler ancak lazer tepkisiyle 0 veya 1 durumuna gelirler. Kontrol altına alınmadıklarında ise, şartlara göre farklı olasılıklarda kararsız davranırlar.

Amerika’daki Bell Labs laboratuvarında çalışan Peter Shor, kuantum bilgisayarının kullanıldığı bir dünyada hiçbir gizin saklı kalmayacağını kanıtladı.

Şimdiye dek en hızlı bilgisayarlar bile doğru anahtarı deneyerek aradıkları için çok yavaş çalışırlar ve şifreler mesajları gizleyebilmektedir. Şifreleri atom durumlarına göre tasarlayan kuantum bilgisayarı ise olağanüstü özelliklere sahip olacak: Nicem (Kuantum) programının başlangıcından, sonucun elde edilmesine kadar geçen süre içinde Qubit’ler karmaşık durumdayken, tüm olası değerleri sabit duruma getirebildiklerinden bilgisayar da tüm olası anahtarları aynı anda deneyebilecek. Böylece doğru çözümler birkaç aşama sonra bulunabilecek.

Atom bilgisayarı için öngörülen kuramsal bilgiler pratikte doğru uygulama alanı bulduğunda, örneğin sigara paketi büyüklüğünde ve dünyadaki tüm bilgisayarların işlem kapasitesine eşit bir bilgisayarın geliştirilebilmesi için hiçbir engel kalmayacak.

Yüzyılın projesi ve fizikçilerin en büyük düşü: Atomlara kumanda edecek cihazı yaratmak!




Not: Kaynak belirtilmemiş,bir forum sitesinden alıntıdır.