50 atom bile yeterli oluyor: Donatılmış bir kuvantum bilgisayarı,
yeryüzünün tüm bilgisayarlarından daha fazla performans
yeteneğine sahip. Atomlarla çalışan kuvantum bilgisayarlar
hemen her alanda devrim yaratacak gibi görünüyorlar.
'uzak hazır! Şimdi Almanya/Garching'teki Max-Planck Enstitüsü'ndeki (MPQ) araştırmacılar avla­rını bekliyor: İki masa tenisi büyüklüğündeki bir masanın üzerinde, birbirleriyle lazer ışınları ağı ile bağ­lantılı sayısız mercek, akümülatör, dağıtıcı ve döndürücü duruyor. Bu gizemli bir şekilde vızıldayan aygıtın kalbi, iyon tuzağı olarak adlandırılıyor. Profesör Walther ve meslektaşları, lazer fiziği araştırma grubu laboratuarında, tek tek atomları hesaplama yetisine sahip sistemlerin oluşturulabilmesine imkan tanıyacak şekilde yalıtım ve gruplandırma üzerinde çalışıyorlar.
Utangaç atomları yakalamak ve hesaplama kölesi ola­rak biçimlendirmek için harcanan devasa çabaya bakıldı­ğında akla şu soru geliyor: Tüm bu çaba niye? Evdeki PC bile artık oldukça hızlı hesaplamalar gerçekleştiriyor. Ör­neğin Excel'de yapılacak bir hesaplama için geleneksel bilgisayarların hızı da tümüyle yeterli oluyor, ancak örne­ğin 266 bit uzunluğundaki bir anahtara sahip bir code'un şifresinin çözülmesi gerektiğinde, biraz zaman gerekmi-
yor değil. Çünkü bu tip bir anahtar, evrendeki atomların hepsinin birden daha fazla kombinasyon olanaklarını içe­riyor. Ve en hızlı dijital süper bilgisayar bile, bu code'un şifresini çözmek için, evrenin şimdiye kadar varolduğu süreden daha uzun bir süreye, yani 14 milyar yıldan fazla­sına ihtiyaç duyuyor. Buna karşılık, tek tek atomlardan yapılmış bir kuvantum bilgisayarı, çözümü birkaç dakika içinde bulabiliyor.
Kuvantumların gücü kararsızlığında
Bu tip bir bilgisayarın çalışma tarzım betimlemek için, kuvantum fiziğinin insani tasarını yetisini zorlayan derin­liklerine dalınmak zorunda. Tek bir atom görünüşte ter­biyesini bozmuyor: Örneğin uygun bir uyarı ile daha yük­sek bir enerji durumuna yükseltîlebilİyor. Bu durum l olarak, daha düşük bir durum ise O olarak yorumlandı­ğında, geleneksel bilgisayarın en küçük enformasyon bî­rimi olan bit'in atomar eşdeğeri bulunmuş oluyor Ama atomlarda iş bu kadar basit değil: Bir bit l ya
Dünya çapındaki işlem gücü
CHIP l TEMMUZ 2002
86
da O gibi tanımlanmış bir duruma sahipken, bir atom bir kuvantumbit denilen bir durum üretiyor: Atom durumunu ancak kendisine dışarıdan soru yöneltildiğinde bildiriyor. Bu aralıkta ise zor anlaşılır bir "hem-1 hem de-0-durumu" bulunuyor.
Bu özellik en iyi, döner bir madeni para ile karşılaştırıla-bilir. Sikke dönerken, sürekli olarak "tura önde" ile "yazı ön­de" arasındaki durumu değiştiriyor. Ancak hesaplama sonu­cu sorulduğunda (örneğin elle döner sikkeye vurulduğun­da), somut bir sonuç saptanıyor: Tura mı, yazı mı? Kuvan-tumbit'lerinin bu kararsızlığının ne derece yüksek bir po­tansiyel sunduğu, ikinci bir atom bi­rincisiyle bağlantılandırıldığında kendini gösteriyor: Atom ikilisi
hşı, bir kuvantum bilgisayarının çok sayıdaki tek tek durum­larının karakteristik bir girişim örneği oluşturacak şekilde üst üste binmesini sağlıyor. Bu örnek programlanmış soru yöneltiminin sonucuna tekabül ediyor.
Garching'de profesör walther, lazer ışınlarıyla en azından laboratuvar ölçeğinde bir kuvantum bilgisayarı gerçekleştir­mek için çalışıyor. Bunun için, önce bir vakum (boşluk) si­lindirde, magnezyum atomlarını daha sonra bir lazer topu ile iyonlaştırmak için, serbest bir hale getiriyor: Şimdi pozi­tif yüklü atomun (=iyon) bir iyon tuzağında yakalanması için, enerji dolu ışık ışını, bir elektronu atom kabuğunun di-
aynı anda dört duruma sahip olu­yor: O ve O, l ve O, O ve l, l ve 1. Üç
»Gezgin bir satıcı, aradaki hiçbir şehri atlamaksızın,
; '"                                                                              3
atom sekiz duruma, dört atom 16 duruma ve n sayıda atom buna uygun olarak aynı anda sunulabi-len 2 üzeri n duruma sahip oluyor. Böylelikle daha 50 atomdan ibaret bir kuvantum bilgisayarı bile, dünyadaki tüm bilgisayarlardan daha fazla hesaplama gücüne sa­
SORUN
A TİPİK BİLGİSAYAR
KURALLAR = PROGRAMLAMA İki aynı renk alanına sahip tüm rota­lar siliniyor.
Bir rota bir şehir ile son buluyorsa, alanları say. Sayı 7'den ufaksa, bu yo­lu sil.
Rota hedefteki şehir ile son buluyorsa ve 7 alanı varsa, o zaman çözüm bu.
hip oluyor. İşin kuramı bu. Pratik-
te ise, araştırmacılar atomları ön­ce yalıtmak, sonra birbirine bağla­mak, tek tek uyarmak ve nihayet hesaplamaların sonucunu da sor­mak problemiyle karşı karşıya. Buradaki son nokta oldukça çet­refilli: Eğer bir kuvantum bilgisa­yarı tüm sonuçları aynı anda su-nabilîyorsa, doğru çözümün han­gisi olduğu nereden anlaşılacak?
Araştırmacı günlüğü: Toplarla iyonlara ateş etmek
DAidlgttdmasdğkdn
Döner sikke Örneğinde kalalım: Araştırmacılar, sonucu okumak cin, bunun üzerine basitçe şid-ietli bir biçimde elle vurmuyor-ar. Sistemin toplam durumunu ^İrişim yöntemi denilen bir yön-:emle açığa çıkarıyorlar. Bu yön-;em sonuç olarak yalnızca tura ya da yazı durumunu görünür kıl­makla kalmıyor, bilakis sikkenin adeta bu durumlar arasındaki açı­sal konumunu tamı tamına kay­dediyor. Sonuçta hangi açının açı­ğa çıkacağı, güçlü bir biçimde sik­kenin önceden ne tür ve ne tarzda döner kılındığına bağlı oluyor. Şimdi bir kuvantum bilgisayarı­nın programlanması sikkenin dönmeye başlamasıyla karşılaştı-rılabilir. Tek tek atomların özel uyarılışı ve planlı bağlantılandırı-
bİR ŞEHİRDEN DİĞERİNE: Gezgin bîr satıcının Önceden belirlenmiş bağlantı olanaklarına bakarak, her bir şehirden yalnızca bir kez geçecek optimal bir rota bulması gerekiyor.
CHIP l TEMMUZ 2002
87
şına ateşliyor. Bu tip bir tuzak, ilke itibarıyla güçlü elektro-      değil: Bu tarzla hep bir avuç atom birbirine bağlanabiliyor,
mıknatıslarla donanmış, yüzük biçiminde bükülmüş bir      üstelik de yalnızca saniyenin birkaç binde biri kadar bir sü-
tüpten ibaret. Hızla değişen elektriksel alanlarla içerde iyon-      reyle! Kuvantum bilgisayarının ilke itibarıyla işlediğini ka-
laşrnış atomlar o denli hızlı bir buraya bir oraya çekiştiriliyor      nıtlamak için bu yeterli. Örneğin kod şifresinin çözülmesi
ki, neredeyse hemen hemen hiç yerlerinden oynamıyor ve      gibi, gerçekten ilginç sorunların çözümü için, daha yapacak
teorik olarak bir sırada 30 bin atoma kadar tüpün merkez      çok şey kalıyor.
ekseni boyunca diziliyor. Kuvantumbit'lerinin bağlantılan-          Ama tek başına birbirine bağlanmış atomlar da henüz bir
dırılması için şimdi atom zinciri içerisinde ileri-geri (öne-      kuvantum bilgisayarı oluşturmuyor: Enformasyon giriş ve
arkaya) şeklindeki titreşimden yararlanılıyor. Bu titreşim      çıkışı olmaksızın hiçbir şey işlemiyor. Garching'de bu amaç
efekti, atomları bir kuvantum bilgisayarı için gerekli olduğu      için lazer kullanılıyor. Belirli bir ışık enerjisiyle yakalanmış
biçimde birbirine bağlıyor. Oysa burada bir kusur da yok      iyonlar, tek tek uyarılabiliyor ve yine planlı bir biçimde daha
nasıl bir şehirden bir başka şehre gidebilir?
B KUVANTUM BİLGİSAYAR
TEMELLER
Kuvantumbit'ler kontrollü bir biçimde bir sıraya dizilebiliyor.
Durumları (temel durum= O, uyarılmış durum= 1) programlanma
sırasında planlı bir biçimde lazer ışığı ile etkilemek olanaklı.
Kuvantumbit'lerin sonuç durumu da lazer ışığı yardımıyla açığa
çıkarılabiliyor.
Altı kuvantumbit 64 (= 26) farklı ikili sayı dizilerini aynı
anda sunabiliyor.
HESAPLAMA OLAYI:
Kuvantumbit'lerin durumları (1 ya da 0) grafikte döner sikkeler
İle canlandırılıyor.
Programlama sırasında kuvantumbit'ler planlı bir biçimde lazer ışınlarla etkileniyor.
PROGRAMLAMA: Yol problemini bir kuvantum bilgisayarı ile çözebilmek için, bir şehirden diğerine olan bağlantılar "O" veya "l" olarak tanımlanır. Her ku-vantumbit'i, daha sonra belli bir yolu seçme kararıyla baş basa bırakılır.
izole edilmiş atomların kuvantumbit'ler olarak çalşabilmeleri için, atomlar ve sikkeler birbirleriyle bağlantılandırılmış olmalılar.
Başka lazer ışınları sonucun okunması sırasında kuvantumbit'lerin durumlarını anlık kayıt olarak sunuyor.
KUVANTUM FİZİĞİ: Kendi etrafında dönen bir sikke gibi, kuvantumbit'ler İzlenilmeyen bir durumda sürekli olarak 0 ve 1 değerlerini alıp dururlar. Ancak, mesela bir lazer ışının sorgusunda,önceden programlanmış sorunun sonucu tespit edilir.
DEĞERLENDİRME;
Birden fazla üst üste binmiş ölçümlerin
girişim örneğinde her bir kuvantumbit
için yine 0 ya da 1 gibi belirgin bir durum
okunabiliyor.
SONUÇ;
Bir sikkenin tespit edilen her durumu bir şehir bağlantısını İfade eder, böylece iki şehir arasındaki en uygun yol okunabilir.
CHIP | TEMMUZ 2002
VVALTHER İLE RÖPORTAJ
PROFESÖR DR. HER
»Evrensel şifre çözücüsünün
çekici vizyonu «
CHIP: Kuvantum bilgisayarının gelişi­minde bugün hangi noktadayız?
Walther: Kağıt üzerinde kuvantum PC'nin varlığından birkaç senedir söz edilebilir; prensipleri büyük Ölçüde araş­tırılıp bulundu ve anlaşıldı, işin zorluğu pratiğe aktarmada: Bugün sadece çok az sayıda atomla hesap yapabiliyoruz ve buna bağlı olarak sadece basit problem­leri çözebiliyoruz, mesela 15 sayısını 5 ve 3 asal bölenlerine ayırmak gibi.
CHIP; Kuvantum bilgisayarı araştırma laboratuarlarından sıçramayı ne zaman başaracak?
VValther: Bunu söylemek zor. Problem, laboratuarda kullanılan teknolojinin se­ri üretime geçirilmesinin zor olması. Ka­ğıt üzerinde gerçi endüstriyel kuvantum bilgisayarları için tasarım prensipleri mevcut, ancak bunları gerçekleştirmek mümkün değil henüz. Ancak nanotek-noloji, yani atomsal alanda üretim, önemli aşamalar kaydettiğinde, kuvan­tum bilgisayarları yüksek adetlerde üretmek mümkün olabilecek. Bu da en azından 10 yıl kadar sürecektir. Uçmakla karşılaştırmak gerekirse, Otto Lilienthal aşamasında olduğumuz söylenebilir. Yi­ne de, ikarus ve Leonardo da Vinci'yi ar­dımızda bıraktık.
CHIP: Kuvantum bilgisayarların kullanı­mı, bir uçuş kadar kolay anlaşılabilir ola­cak mı?
Walther: Hayır. Kuvantum bilgisayarla­rın iki şehir arasında uçmak veya PC'nin yerini alacak şekilde günlük bir kullanı-
ma sahip olacağını ve yaygınlaşacağını söylemek zor.
Asın yüksek hesaplama gücü sayesin­de bu süper bilgisayarlar sadece uzman­lar için bir araç olarak kalacaktır, mesela komplike bilimsel hesaplamalar için ve­ya akla gelebilecek her türlü şifreyi kır­mak için. Bunu daha anlaşılır bîr şekilde düşünmek gerekirse: Bugün bile kelime ve işlem ve resim İşleme gibi günlük uy­gulamalar, PC'nin performansından tam olarak faydalanamıyorlar. 50 atomla prensipte dünyadaki tüm bilgisayarların toplamından daha fazla işlem kapasite­sine sahip bir bilgisayarla ne yapmayı düşünürsünüz? Sonuçta bir roketle de evinizden isinize uçamazsınız.
CHIP: Tamam. Geleceğe biraz daha ya­kından bakacak olursak: Kuvantum bilgi­sayarların dünyamız üzerinde ne gibi et­kileri olacak?
Walther: Bunu söylemek imkansız. Daha heyecan verici olan soru, bilimsel dünya­nın, endüstriyel düzeyde üretime geçmiş kuvantum bilgisayarlarla nasıl değişece­ğidir. Zira, daha önce söylediğim gibi, ön­celikle dünyaya atomsal alanda hakirn olabilmeliyiz. Bu da kuvantum fiziğinin tüm bilmecelerini çözmüş olmamızı ge­rektiriyor.
Ya da bir adım daha ileri atmama izin verin, klasik fizikle kuvantum fiziğini bir­leştirmemiz gerekiyor. Bilim bunun üze­rinde nerdeyse 100 senedir çalışıyor. Bu­nu başarabilirsek kuvantum bilgisayarı kuskusuz en spektaküler yemliklerden biri olacaktır.
CHIP; Spektaküler yenilikler? Bunu biraz daha açabilir misiniz?
Walther: Biyologlar kuvantum efektleri­nin canlılarda herhangi bir rol oynayabi­leceği konusunda şüphe duyuyorlar. Ben aynı görüşte değilim: Kuvantum fi­ziği bu alanda da belli sınırlar içinde önem kazanacak ve mesela hücrelerdeki kumanda olaylarını etkileyebilecek, Ku­vantum bilgisayarı bu tip olayların anla­şılmasında önemli katkıda bulunacak. Nanoteknikerler mini denizaltıların, hastalıkları İyileştirmek veya teşhis ko­yabilmek için insanlara enjekte edilen nanorobotların hayalini kuruyorlar. Ku­vantum bilgisayarı burada da arastırma-gelistirme için katalizör olabilir.
CHIP: Kuvantum bilgisayarı her şifreyi çözebilecek ve teknolojik gelişmenin de­vamında kilit bir rol oynayacak... böyle bir potansiyele sahipken su soru ortaya çıkıyor: Bilimsel gelişmeleri kim kontrol ediyor?
Walther: Almanya, Avusturya, ABD ve İngiltere'de bilimsel çalışmalar sadece üniversitelerde yürütülüyor. Bizler Garc-hing'de, sadece Max Planck enstitüsü ve devlet tarafından finanse ediliyoruz. En­düstriyel teşvik günümüzde henüz yok. Ancak özellikle ABD'de, ulusal güvenlik servisi NSA, en büyük teşvikçilerden biri. Evrensel bir şifre çözücüsüne sahip olrna düşüncesi, NSA İçin oldukça çekici bir düşünce. Daha birkaç gün önce bir kong­rede bir yüz dikkatimi çekmişti. Önünde­ki isim plaketinde bu bayın resmi olarak NSA'den geldiği yazıyordu.
düşük bir enerji durumuna getirilebiliyor. Yani Garching'de kuvantum bilgisayarı için programlar PC'de olduğu gibi makine diline değil, lazer tepilerine çevriliyor. Sistem duru­munun ölçümü ve böylelikle sonucun okunması da yine hüzmelenmiş bir lazer ışık ısım yardımıyla cereyan ediyor.
Vizyon ve gerçeklik arasındaki teknoloji
Geriye kuvantum bilgisayarı ile ne zaman gerçek dünyadan sorunların çözülebileceği sorusu kalıyor. "Dijital bilgisayar­ların gelişimi ile karşılaştırıldığında, kuvantum bilgisayarı bugün Charles Babbage'ın 19. yüzyılın başlarında bulundu­ğu yerde" uyarısında bulunmuştu, yaklaşık bir yıl önce vefat eden Yorktovvn'dakl IBM araştırma laboratuvarından Rolf
Landauer. Mekanik bilgisayarın mucidi Charles Babbage, yaşadığı sürece kendisi tarafından tasarlanmış makineyi ger­çekten inşa etmek konusunda en ufak bir şansa sahip olma­mıştı.
Profesör W'alther, aynı şekilde uçakların sınai üretimini yaşayamamış olsa da, uçuş dünyasının öncüsü Otto Lilient-hal ile karşılaştırılmayı tercih ediyor (bkz. yukarıdaki söyle­şi). Bu Amerikalı PC bilimcisi Raymond Kurzweil'ı ikna et­mekten uzak: "Tam da bilgisayar teknolojisi hep üstel olarak artan bir hızla gelişti. Ben gelecek 20 yıl içinde güçlü bir per­formansa sahip kuvantum bilgisayarlarının inşa edileceğin­den yola çıkıyorum." &
IK/ Garo Arıtikacıoğlu, agaro@chip.com.tr
CHIP I TEMMUZ 2002