Kuantum Hesaplama Ve Kuantum Bilgisayarı Nedir ? Nasıl Çalışır ?

Kuantum hesaplama, kuantum teorisinin prensiplerine dayalı bilgisayarların geliştirilmesine odaklanan bir bilgisayar bilimi alanıdır. Kuantum hesaplama, klasik hesaplama için çok karmaşık olan sorunları çözmek için kuantum fiziğinin benzersiz davranışlarını kullanır.

Kuantum bilgisayarların geliştirilmesi, belirli kullanım durumlarında büyük performans kazanımları potansiyeliyle hesaplama yeteneğinde bir sıçramayı gösterir. Örneğin, kuantum hesaplama, tamsayı çarpanlarına ayırma ve simülasyonlar gibi görevler için avantajlar sunar ve ilaç, sağlık, üretim, siber güvenlik ve finans gibi sektörleri etkileme potansiyeline sahiptir.

Kuantum bilişim (QC), araştırmacıların aşması gereken birçok engel nedeniyle genellikle teorik bir kavram gibi hissedilmiştir. Bunların başında, bu etkileyici donanım parçalarının görevleri gerçekleştirmek için kullandığı bilgi birimleri olan kübitlerin sayısını artırmak gelir. Klasik bilgisayar "bitleri" 1'ler veya 0'lar olarak var olurken, kübitler bunlardan biri veya aynı anda her ikisi olabilir. Bu, moleküler düzeydeki kuantum mekaniğini simüle etmek için gerekli olan muazzam derecede daha yüksek işlem hızlarının anahtarıdır. Bir kübit veya kuantum biti, klasik hesaplamada bir bite eşdeğerdir. Tıpkı bir bitin klasik bir bilgisayardaki temel bilgi birimi olması gibi, bir kübit de bir kuantum bilgisayardaki temel bilgi birimidir.

Bir kübitin sahip olduğu kuantum bilgisinin tüm olası konfigürasyonların bir durumuna yerleştirilmesini ifade ederken, dolanıklık bir kübitin diğerini doğrudan değiştirmesini ifade eder. Kuantum bilgisayarlar kaynak yoğun olma eğilimindedir ve düzgün çalışması için önemli miktarda enerji ve soğutma gerektirir. Kuantum hesaplama donanımı çoğunlukla süperiletken bir işlemciyi belirli bir süper soğutulmuş sıcaklıkta tutan soğutma sistemlerinden oluşur. Örneğin bir seyreltme soğutucusu, sıcaklığı mili- kelvin (mK) aralığında tutan bir soğutucu olarak kullanılabilir. Örnek olarak, IBM bu soğutucu sıvıyı kuantum-hazır sistemini yaklaşık 25 mK'de tutmak için kullanmıştır, bu da -272.7 derece Celsius 'e benzerdir.

Kuantum Hesaplama

Üst üste binme, aynı anda tüm konfigürasyonlarda bulunan kübitleri ifade eder. Bir kübiti manyetik alandaki bir elektron olarak düşünün. Elektronun spini, spin-yukarı durum olarak bilinen alanla aynı hizada veya spin-aşağı durum olarak bilinen alanın zıttı olabilir. Elektronun spinini bir durumdan diğerine değiştirmek, bir lazerden gelen enerji darbesi kullanılarak elde edilir. Sadece yarım birim lazer enerjisi kullanılırsa ve parçacık tüm dış etkilerden izole edilirse, bir durum üst üste binmesine girer ve parçacık, aynı anda her iki durumdaymış gibi davranır.

Kübitler 0 ve 1'in üst üste binmesini aldığından, bu bir kuantum bilgisayarının üstlenebileceği hesaplama sayısının "2^n" olduğu anlamına gelir, burada "n" kullanılan kübit sayısıdır. 500 kübitten oluşan bir kuantum bilgisayarı tek bir adımda 2^500 hesaplama yapma potansiyeline sahiptir.

Dolaşıklık parçacıkları, bir kübiti değiştirmenin diğerini doğrudan değiştirdiği bir durumda bulunan dolanık kübit çiftleridir. Bir dolanık parçacığın spin durumunu bilmek, diğerinin spinini zıt yönde ele verir (yukarı veya aşağı). Ayrıca, üst üste binme nedeniyle ölçülen parçacığın ölçülmeden önce tek bir spin yönü yoktur. Ölçülen parçacığın spin durumu ölçüm sırasında belirlenir ve aynı anda zıt spin yönünü alan bağlı parçacığa iletilir.

Kuantum dolanıklığı, büyük mesafelerle ayrılmış kübitlerin birbirleriyle anında etkileşime girmesini sağlar. İlişkili parçacıklar arasındaki mesafe ne kadar büyük olursa olsun, izole edildikleri sürece dolanık kalırlar. Kuantum süperpozisyonu ve dolanıklık birlikte muazzam derecede gelişmiş hesaplama gücü yaratır. Daha fazla kübit eklenirse, artan kapasite üssel olarak genişler.

"Dolaşıklık" adı verilen kuantum mekanik bir özellik sayesinde bilim insanları, kübitler birbirleriyle temas halinde olmasa bile birden fazla kübiti aynı duruma itebilirler. Ve bireysel kübitler iki durumun üst üste gelmesinde var olsa da, daha fazla kübiti birbirine dolaştırdığınızda bu durum üssel olarak artar. Yani iki kübitlik bir sistem 4 olası değeri depolarken, 20 kübitlik bir sistem bir milyondan fazla değer depolar.

Peki bu, hesaplama gücü için ne anlama geliyor? Kuantum hesaplamayı asal sayılar sorununa bu uygulamayı düşünmek faydalı olur. Asal sayı, yalnızca kendisine veya 1'e tam olarak bölünebilen, 1'den büyük doğal sayılara denir. Küçük sayıları dev sayılara çarpmak kolay olsa da, ters yönde gitmek çok daha zordur. Bir sayıya bakıp çarpanlarını söyleyemezsiniz. Bu, RSA adı verilen en popüler veri şifreleme biçimlerinden birinin temelidir.

RSA güvenliğini yalnızca iki asal sayının çarpımını çarpanlarına ayırarak çözebilirsiniz. Her asal çarpan genellikle yüzlerce basamak uzunluğundadır ve önceden cevapları bilmeden etkin bir şekilde çözülemeyen bir problemin benzersiz anahtarları olarak hizmet ederler.

Çoğunlukla kuantum durumları kırılgan olduğu için son derece zorlu olmaya devam ediyor. Kübitlerin dış ortamlarıyla etkileşime girmesini tamamen durdurmak, aşırı soğutulmuş veya vakum odalarındaki hassas lazerlerle bile zordur. Sistemdeki herhangi bir gürültü, süperpozisyonun bozulduğu ve bilgisayarın bilgi kaybettiği “dekoherans” adı verilen bir duruma yol açar.