QPU – Kuantum İşlemciler Hakkında Her Şey

Kuantum ve kuantum dünyası değişen teknolojinin her alanında mühim bir yere haiz. Atom altı parçacıkların belirsizliği gelece devasa bir kapı açarken, bilhassa bilgisayar işlemcileri bu kuantum dünyasından öğrendiklerimizle inanılmaz bilişim cihazlarına dönüşüyorlar. Peki CPU’dan değişik olarak bir kuantum işlemci, şu demek oluyor ki QPU nedir?

Kuantum işlem birimleri dışarıdan bakıldığında GPU ve DPU’lara fazlaca benzer görünebilir. Hepsi tipik o olarak elektriksel devrelerden oluşan yongalar benzer biçimde görünüyor, sadece işin detayına indiğimizde QPU fazlaca değişik bir çözüm olarak karşımıza çıkıyor. Kuantum işlemci olarak da malum QPU, belirli hesaplama türlerini günümüz bilgisayarlarındaki işlemcilerden fazlaca daha süratli yapmak için elektronlar yada fotonlar benzer biçimde parçacıkların davranışını kullanan bir kuantum bilgisayarın beynidir.

QPU’lar, kuantum mekaniği isminde olan yeni fizik branşında tanımlanan süperpozisyon prensibine dayanıyor. Bir foton yada elektronun durumu belirsizdir. Süperpozisyon ise foton, fonon, elektron vs. benzer biçimde parçacıklar için geçerli olan bir duruma verilen isimdir. Başka bir deyişle QPU’lar, bir parçacığın aynı anda birçok durumda olma kabiliyetine dayanan tamamen değişik yaklaşım üstüne inşa edilmiştir.

Buna karşılık CPU’lar, GPU’lar ve DPU’ların tümü, klasik fizik ilkelerini elektrik akımlarıyla beraber hayata geçirir. Bu yüzden günümüzde kullandığımız sistemler artık “klasik bilgisayarlar” olarak tanımlanmaya başladı. QPU’lar kriptografiyi, kuantum simülasyonlarını ve makine öğrenimini geliştirebilir ve sıkıntılı optimizasyon sorunlarını çözebilir.

CPU’lar ve GPU’lar, sıfırları yada birleri temsil eden elektrik akımının açık/kapalı durumlarını bit cinsinden hesaplar. Buna karşılık QPU’lar benzersiz güçlerini, birçok değişik 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 benzer biçimde, kübitler de olasılıklar küresindeki noktalara benzeyen kuantum durumlarına işaret eder. Bir QPU’nun gücü çoğu zaman ihtiva ettiği kübit sayısıyla tanımlanır. Araştırmacılar, bir QPU’nun genel performansını kontrol etmek ve ölçmek için ek yollar geliştiriyor.

Kübit Nedir? Iyi mi Tasarlanır?

Kurumsal ve bilimsel niteliği olan araştırmacılar, QPU içindeki kübitleri inşa etmek için fazlaca çeşitli teknikler kullanıyor. Bugünlerde en popüler olan yaklaşım süper iletken kübit (superconducting qubit) olarak anılıyor. Temel olarak, bu teknikle elektronların iki süper iletken araç-gereç içinde yalıtkan bir katmandan geçmiş olduğu Josephson bağlantıları isminde olan bir yada daha çok ufak metalik sandwich (yarı iletkenlerde kullanılan bir çözüm) kullanılıyor.

Son çalışmalarla beraber bu bağlantıların 100’den fazlasını tek bir QPU’da kullanmak mümkün. Süper iletken kübit yaklaşımını temel alan kuantum bilgisayarlar, yüksek teknoloji avizelere benzeyen kuvvetli soğutma sistemleri ile elektronları mutlak sıfıra yakın sıcaklara soğutarak izole eder. Bazı firmalar kuantum işlemcilerinde kübit oluşturmak için elektron yerine foton kullanır. Bu QPU’lar pahalı ve yüksek güç tüketen soğutucular (refrigerator) gerektirmez, sadece sadece fotonları yönetmek için gelişmiş lazerlere ve ışın ayrıştırıcılara gerekseme duyarlar.

Araştırmacılar, QPU’lar içinde kübitler oluşturmak ve bağlamak için değişik yollar keşfediyor. Mesela bazıları quantum annealing (kuantum tavlama) isminde olan bir analog işlem kullanır fakat bu QPU’ları kullanan sistemlerin sınırı olan uygulamaları vardır. Uzun lafın kısası, kuantum bilgisayarlar için halen başlangıç aşamasındayız. Bu yüzden QPU’larda hangi tür kübitlerin yaygın olarak kullanılacağı hemen hemen netlik kazanmış değil.

Karmaşık bilim ve teknoloji yardımıyla araştırmacılar, kuantum bilgisayarların içindeki QPU’ların şaşırtıcı sonuçlar vermesini bekliyor. Bilhassa dört ümit vadeden olasılık mevzusunda heyecanlılar.

İlk olarak, bilgisayar güvenliğini tamamen yeni bir düzeye taşıyabilirler. Kuantum işlemciler, kriptografide temel bir işlev olan fazlaca büyük sayıları hızla çarpanlarına ayırabilir. Bu da günümüzün güvenlik protokollerini rahatça kırabilecekleri, sadece hem de yeni ve fazlaca daha kuvvetli güvenlik önlemleri oluşturabilecekleri anlamına geliyor.

Ek olarak QPU’lar, maddelerin atomik düzeyde iyi mi çalıştığını kuantum mekaniği ile simüle etmek için idealdir. Böylelikle daha hafifçe uçakların tasarımından daha tesirli ilaçlara kadar dünyamızdaki her şeyde etkili olabilecek kimya ve araç-gereç biliminde temel ilerlemeler sağlayabilir.

Araştırmacılar ek olarak kuantum işlemcilerin klasik bilgisayarların finans ve lojistik benzer biçimde alanlarda üstesinden gelemeyeceği optimizasyon sorunlarını çözeceğini umuyorlar. Son olarak, kuantum teknolojisiyle makine öğrenimi değişik bir boyuta taşınabilir.