İLK KUANTUM BİLGİSAYAR KAPIDA
Bilgisayarlar iş yaşamının ve bilimin her dalı­nın vazgeçilmez araçları haline geldi ve hızları akıl almaz bir tempoda artıyor. Yine de araştırmacılar, süper bilgisayarların bile çözmesi olanaksız sorun­larla sık sık karşılaşıyorlar. Umut, atomaltı dünya­da geçerli kuantum mekaniğinin akıl almaz özellik­lerinden yararlanarak, bu sorunları yüzyıllar yerine birkaç saniye içinde çözme iddiası taşıyan kuan­tum bilgisayarlarda. Çeyrek yüzyıldır belli başlı üniversitelerle, IBM, Hewlett-Packard ve NEC gibi önde gelen bilişim şirketlerinin laboratuvarlarında araştırmacılar kuantum bilgisayarlar düşünü yaşa­ma taşıyacak çeşitli yöntemler üzerinde çalışıyor­lar. Ama hiçbiri, çalışan bir makineyi 10 yıldan da­ha önce ortaya koyabilecek durumda değil.
Kanada'nın Vancouver kentinde kurulu D-Wa-ve ve Systems adlı küçük bir şirketse, bu işi üç yıl içinde başarmayı hedefliyor. Şirket 1999 yılında British Columbia Üniversitesi öğrenci ve öğretim üyelerinin katılımıyla kurulmuş ve zaman içinde birçok konuda patent biriktirdikten sonra ilgi ala­nını kuantum bilgisayarlar üzerinde odaklamış. Bazı risk sermayesi şirketlerinin yanı sıra Kanada ve Alman hükümetlerinin desteğini sağlayan şir­ket, 18 milyon dolarla işe girişmiş. Gerçi üzerin­de çalışılan, alışıldığı tanımda bir kuantum bilgi­sayar değil; ama yine de şirket, günümüz bilgisa­yarlarının yeteneklerinin ötesindeki fiziksel simu-lasyon problemlerinin üzerinden gelecek bir dona­nım üretme yolundaki programını sorunsuz ilerle­tiyor. D-Wave, İlk prototipini 2006 yılı sonunda üretmiş olacak. Şirketin yönetim kurulu başkanı Geordie Rose, ticari sorunları çözebilecek yete­nekte ilk "bilgisayar"ınsa 2008 yılında tamamla­nabileceğini söylüyor.
D-Wave'in sistemiyle öteki kuantum bilgisayar tasarımları arasındaki fark, yararlandıkları kuan­tum mekaniksel özelliklerde yatıyor. Kuantum bil­gisayar tasarımlarında ortak nokta, parçacıkların aynı anda farklı yerlerde bulunabilme özelliğinden yararlanabilmeleri. Geleneksel bilgisayarlar olası­lıkları birer birer analiz ederek doğru çözüme va­rırken, kuantum bilgisayarlar, tüm olasılıkları ay­nı anda analiz ederek doğru yanıtı bulmak üzere tasarlanmaya çalışılıyor.
Kendilerinden beklenen karmaşık hesapları yapabilmek için geleneksel kuantum bilgisayar ta­sarımları, kuantum dünyasının en garip özellikle­rinden olan "dolanıklık" özelliğinden yararlanma­yı öngörüyor. Spinleri "dolanık" hale getirilmiş iki parçacıktan birine yapılan müdahale (ölçüm), isterse evrenin öteki ucunda bulunsun, ötekini de aynı anda etkiliyor. Ancak, bu Özellikten yararla­nılarak geliştirilen ve kubit (kuantum bit) denen mantık kapılarıyla hesap yapmanın güçlüğü, ato-maltı dünyada geçerli kuantum mekaniksel özel­likleri, klasik mekaniğin geçerli olduğu büyük öl­çekli dünyamıza uyarlamakta yatıyor. Klasik bilgi­sayar hesaplarının dayandığı "1 ya da 0" olma özelliğinin tersine "hem 1, hem 0" olan kubitler, klasik dünyayla en küçük etkileşimle bile bozulu­yorlar. Gerçi son yıllarda kuantum mekaniksel özellikleri makro dünyada da uygulayabilme yo­lunda önemli adımlar atılmış bulunuyor; ama yine de dolanık parçacıklar temelinde geliştirilen ku-bitleri kararlı kılmak, kuantum bilgisayarların ya-
ku-1.jpg
şama geçmesinde aşılması gereken en büyük güç­lük olmaya devam ediyor.
D-Wave'in tasarımıysa, kuantum mekaniğinin çok daha dayanıklı bir özelliği olan "tünelleme" olgusu üzerine kurulu. Bu özellik de, parçacıkla­rın normalde geçememeleri gereken bir engeli aşarak bir yerden başka bir yere adeta "sihirli" biçimde sıçramaları biçiminde özetlenebilir.
D-Wave'in iddialı takvimine olanak sağlayan, üreteceği aygıtın tasarımındaki sadelik: Bilgisa­yar, düşük sıcaklıkta çalışan süperiletkenlerden yapılı bir çip üzerine kurulu. Çip, sıvı helyumla -296 °C'ye kadar soğutulmak zorunda; ama öte­ki kuantum bilgisayar modelleri gibi son derece duyarlı lazerler, vakum pompaları ve son derece ileri teknolojiye sahip başka egzotik makineler gerektirmiyor. D-Wave'in üretimini kolaylaştıran bir başka özelliği de, standart bilgisayar cipleri yapımında kullanılan litografi tekniklerine uyumlu olması. Tasarım, aluminyum ve niobyum gibi dü­şük sıcaklık süperiletkenlerinden yapılı halkalar­dan oluşan bir örüntünün, çip üzerine yerleştiril­mesini Öngörüyor. İçlerinden elektrik geçtiğinde bu halkalar küçük mıknatıslar gibi davranıyorlar. Bir buzdolabının mıknatısları, doğal olarak kutup değiştirerek birbirleri üzerine yapışırlar. D-Wa­ve'in çipi üzerindeki mıknatıslar da benzer şekil­de davranıyorlar ve aralarındaki manyetik akıyı en aza indirebilmek için akımın yönünü saat yö­nünden, saatin tersi yöne çeviriyorlar. Çözmesi is­tenen problemin özelliklerine göre programlanan çip üzerinde akım, her halkadan belli bir yönde geçiyor. Daha sonra halkalar, kararlı bir enerji durumuna varıncaya kadar kendiliklerinden tersi­niyorlar ve bu kararlı durum da doğru çözümü temsil ediyor.
D-Wave'in ilk bilgisayarı, kuantum bilgisayar­lar için en büyük sınav olarak ün kazanan bir bek­lentiyi, yani modern şifreciliğin dayandığı rasgele seçilmiş yüzbinlerce basamaktan oluşan sayıları,
süperbilgisayarlardan çok daha hızlı biçimde çar­panlarına ayırma işlemini gerçekleştiremeyecek. Ama daha az ünlü olmayan bir başka problemi, "seyyar satıcı" probleminin çözümüne son derece uygun olacak. Bu problem, şirketinin mallarını kapı kapı dolaşarak satmakla yükümlü pazarlama görevlisinin kentler arasında seyahat ederken iz­lemesi gereken en avantajlı rotanın seçimiyle ilgi­li. Yolların karmaşıklığı arttıkça, bu tür problem­ler bilgisayarlar için çözülemez hale geliyor. Çün­kü klasik bilgisayarlar her olası çözümü tek tek değerlendirmek zorunda. Ama D-Wave'in çipi, kendi optimal enerji durumuna varmaya çalışır­ken zaten bu tür bir hesabı otomatik olarak yapı­yor. Hem de birkaç saniye içinde.
Böyle bilgisayarların, bazıları milyarlarca do­lar değerindeki ticari kullanım alanları arasında kamyon güzergahlarının, para yönetiminin, hatta normal bilgisayar çipleri üzerindeki desenlerin optimizasyonu sayılıyor. D-Wave'in cipi ayrıca na-nomalzemeler ve ilaç üretim süreçlerinde mole­küller arasındaki İlişkiler gibi kuantum sistemle­rinin modellenmesi için de ideal bir araç olarak görülüyor.
Tipik kuantum bilgisayarlara göre çok daha dayanıklı olmalarına karşın, D-Wave'in sistemleri de oldukça hassas. Rose, bu nedenle şirketin bil­gisayarlar yerine "çözümleri satacağını" söylüyor. Örneğin bir müşteri, önce kendi problemini kendi bilgisayarında çözmeyi deneyecek. Klasik bilgisa­yarın programı, problemin "çözülemez" noktası­na geldiğinde otomatik olarak D-Wave'in bilgisa­yarını arayarak problemin çözüm işini ona aktara­cak. California Üniversitesi'nde (San Diego) kuan­tum algoritmaları üzerinde çalışan matematikçi David Meyer, "Birçok özel uygulama için özel amaçlı böyle bir donanım, genel kullanımlı bilgi­sayarlar için geliştirilmiş en akıllı yazılımlara bile fark atmaya aday" diyor.
Technology Review, Temmuz 2005
Çeviri: Raşit Gürdilek
Ağustos 2005 33 BİLlM ve TEKNJK