27 Mart 2025
Araştırmacılar ve teknoloji şirketleri, geleneksel bilgisayarların çözemediği zor bilimsel sorunları çözebilen ve sonunda ilaç keşfi, yapay zeka ve kriptografi gibi alanlardaki ilerlemeleri destekleyebileceğini umdukları kuantum bilgisayarları geliştirmek için küresel bir yarış içindeler. Kuantum hesaplama ve alandaki ilerleme hakkında daha fazla bilgi edinmek için yazar Sara Frueh, Stanford Üniversitesi Mühendislik Fakültesi’nde elektrik mühendisliği ve bilgisayar bilimi profesörü ve Yahoo! Founders Profesörü olan Mark Horowitz ile sohbet etti. Horowitz, kuantum hesaplama üzerine 2019 Ulusal Akademiler raporuna başkanlık etti.
Bu konuya yeni başlayanlar için, kuantum bilişim nedir? Kuantum bilgisayarını geleneksel bilgisayarlardan farklı kılan nedir?
Horowitz: Bunu cevaplamak için önce şunu sormanız gerekir: Bilgisayar nedir? Bilgisayar, bilgileri birler ve sıfırlar kümesi olarak depolayan bir cihazdır. Buna ikili bit denir ve bu ikili birler ve sıfırlar sayıları, ekrandaki renkleri, kelimeleri temsil etmek için bir araya getirilebilir. Yani her şeyi bu bitler açısından temsil ediyoruz.
Bilgisayar bu bitler üzerinde yalnızca birkaç işlem yapabilir — bunları toplayabilir ve bitler arasında mantıksal işlemler yapabilir — ancak biz bu tür işlemleri, programlar kullanarak, inanılmaz şeyler yapmak için nasıl dönüştüreceğimizi bulduk. Cep telefonunuzun çalışmasının sebebi budur. Zoom’un çalışmasının sebebi budur ve insanları uzaktan görebilirsiniz. Gerçekten güzel grafikler ve oyunlar elde ediyoruz. Yani, bunların hepsi birler ve sıfırların ikili gösterimlerini kullanan geleneksel bilgisayarlar aracılığıyla yapılır.
Bir kuantum bilgisayarı da bir tür hesaplama aygıtıdır, ancak bir bit kullanmak yerine – bir veya sıfır – kübit veya kuantum biti adı verilen bir şeyi kullanır. Ve kuantum biti, geleneksel hesaplama bitlerinin sahip olmadığı bazı ek özelliklere sahiptir.
Burada bir benzetmenin faydalı olabileceğini düşünüyorum. Bit, masanın üzerinde duran bir madeni para gibidir. Yazının bir, turaların da sıfırı temsil ettiğini varsayalım. Bir bite baktığınızda, ya bir ya da sıfır olacaktır. Bir kübit, üzerinde bir sayı bulunan bir bilardo topuna daha çok benzer. Sayı yukarı baktığında, kübit birdir ve sayı masaya baktığında sıfırdır. Ancak bir top olduğu için sayı yana işaret edebilir. Bu konumda, kübit durumların bir “süperpozisyonunda” olacaktır – aynı anda hem bir hem de sıfır olabilir.
Kübitlerin aynı anda hem sıfır hem de bir olabilmesi — ve dolanıklık adı verilen bir diğer kuantum özelliği — kübitlerin geleneksel bilgisayarların yapması zor olan bazı işlemleri yapmasına olanak tanır. Ve kuantum bilgisayarlarının normal bilgisayarlardan çok daha hızlı yapabileceğini bildiğimiz belirli görevler vardır. Bu iyi haberdir. Kötü haber ise, top benzeri kübitleri kontrol edebilen bir makine inşa etmenin, madeni para benzeri bitleri depolaması gereken bir makine inşa etmekten çok daha zor olmasıdır.
Örneğin, geleneksel bilgisayarlar milyonlarca veya milyarlarca bit depolayabilirken, kuantum bilgisayarları şu anda yalnızca küçük bir sayıya -yaklaşık 100- sahip olabilir. İnsanlar bunu artırmaya çalışıyor. Ve normal bilgisayarlar çok güvenilirdir: Bir işlem yaptığınızda, hata yapmanız gerçekten çok olası değildir. Topları depolamak ve onları tam olarak döndürmek çok daha zordur, bu nedenle şu anda, kuantum hesaplamada hatalar o kadar da nadir değildir.
İnsanlar kuantum bilgisayarları olasılığı konusunda neden bu kadar heyecanlı? Ne tür sorunları çözebilecekler?
Horowitz: Heyecan verici olan şey, kuantum bilgisayarlarının çözmeye daha yatkın olabileceği bir dizi bilimsel problemin olması ve potansiyel olarak bazı zor problemleri daha hızlı çözebilmeleri. Örneğin, insanların kimyayla ilgili olarak atomlar arasındaki etkileşimlere bağlı olan sorularla ilgilenmeleri. Bu kuantum etkileşimleri doğrudan bir kuantum bilgisayarında çözülebilirdi, ki bu harika olurdu. Geleneksel bilgisayarları kullandığımızda yaptığımız gibi bazı yaklaşık çözümlere sahip olmakla yetinmek zorunda kalmazdık.
Bir kuantum bilgisayarının geleneksel bir bilgisayardan çok daha hızlı olduğu bir problemin başka bir örneği çarpanlara ayırma olarak adlandırılır: çarpıldığında size verilen orijinal sayıyı üreten bir sayı kümesini bulmak. Yeterince büyük sayılar için, geleneksel bilgisayarların çözmesi imkansızdır ve birçok web şifreleme protokolünde verileri “gizlemek” için kullanılır. Yeterince büyük bir kuantum bilgisayarı bu şifrelemeyi kırabilir.
Şu anki sorun, şimdiye kadar, kuantum hesaplamanın tüm heyecan verici uygulamalarının, bugün inşa edebileceğimizden çok daha karmaşık, çok büyük ve çok karmaşık bir kuantum bilgisayarı gerektirmesidir. Araştırmacılar hem daha iyi donanımlar inşa etmek hem de yeni uygulamalar yaratmak için çalışırken, kuantum hesaplamanın daha geniş ticari uygulamalarının olup olmayacağını veya ne zaman olacağını ve bunların ne olacağını hâlâ bilmiyoruz.
Kuantum hesaplama çok başarılı olsa bile, yaptığımız hesaplamaların çoğunun hala geleneksel hesaplama olacağını düşünüyorum çünkü birçok işlem için çok daha ucuz ve çok daha hızlı. Kuantum bilgisayarlar, performans avantajı sağladığı özel uygulamaları çalıştırmak için kullanılacak.
Raporunuz yayınlandığından beri kuantum hesaplamada ne kadar ilerleme kaydedildi? Son zamanlarda, New York Times, Google’ın artık normal süper bilgisayarların 10 septilyon yılda yapamayacağı görevleri yapabilen bir kuantum bilgisayarına sahip olduğunu bildirdi .
Horowitz: Raporumuz yayınlandığında, kuantum hesaplamanın ilerlemesi açısından takip edilmesi gereken birkaç önemli şey olduğunu söyledi. Biri insanların inşa edebileceği kübit sayısı, diğeri ise kübit işlemlerinin doğruluğu ve sadakati – hata yapmadan önce kaç işlem yapılabildiği. Ayrıca bu makinelerin algoritmalarını ve uygulamalarını da takip etmeliyiz.
Şu anda sahip olduğumuz kuantum bilgisayarlarını inşa etmede önemli bir ilerleme kaydedildi. Daha önce 30 veya 40 kübitli kuantum bilgisayarlarımız vardı. Şimdi iyi bir sadakate ve 100 kübitin üzerinde makinelere sahibiz. Örneğin, Google sisteminin 100 kübitin biraz üzerinde olduğuna inanıyorum.
Ayrıca, rapor yayınlandığında en iyi doğruluk %99,5’ti veya yaklaşık olarak her 200 işlemde bir hataydı. Şimdi %99,9 doğruluğa sahip bazı sistemlerimiz var, bu beş kat daha iyi. Artık bir hatadan önce 1.000 işlem yapabiliyoruz. Kuantum bilgisayarlarda hatalar meydana geleceğinden, bu makinelerde hata düzeltmesi gerekecek ve hata düzeltmede son zamanlarda çok sayıda ilerleme oldu — hataları düzeltmek için gereken ekstra kübit sayısını önemli ölçüde azalttı. Ancak hata düzeltmeyi pratik hale getirmek için daha iyi doğruluğa hala ihtiyacımız var.
Raporun yayınlanmasından bu yana bir dizi yeni teknoloji ortaya çıktı. Son zamanlarda, soğuk veya nötr atom kuantum hesaplamasında çok fazla çalışma yapıldı ve fotonik bir kuantum bilgisayarı inşa etmek için büyük bir çaba var. Rapor yayınlandığından bu yana kuantum bilgisayarları inşa etmede önemli ilerleme kaydedildi.
Kuantum bilgisayarları inşa etmek neden bu kadar zordur? Engeller nelerdir?
Horowitz: Engellerin ne olduğunu anlatmanın en iyi yolunun bilardo topu benzetmeme geri dönmek olduğunu düşünüyorum. Bir madeni paranız varsa ve bir masanın üzerinde duruyorsa, orada kalacaktır. Ve onu çeviren bir operasyonunuz varsa, bu operasyonu olması gerekenden biraz farklı yapsanız bile, yine de çevrilecektir veya çevrilmeyecektir, değil mi? Oldukça sağlamdır.
Ancak masada bir top varsa ve işlemleriniz topu döndürmekse, her şeyden önce, masanın oldukça hareketsiz ve son derece düz olması gerekir. Bu yüzden, topun etrafındaki ortamın onu hareket ettirmemesine çok dikkat etmelisiniz.
Yani, bu tür bir kararlılığa ulaşmak için, tüm bu makinelerle, temel kübitlerin çok soğuk olması gerekir. Şimdi, bazı sistemlerde, bu tam anlamıyla çok soğuk oldukları anlamına gelir, ancak diğer sistemlerde, çok izole oldukları ve ışıkla soğutuldukları anlamına gelir – bu yüzden çok az başıboş enerji vardır.
Ve sonra ikinci sorun, bunlar üzerinde yaptığınız işlemlerin son derece hassas olması gerektiğidir, çünkü durumu belirli bir miktarda döndürüyorsunuz ve onu tam olarak doğru miktarda döndürmeniz gerekiyor; eğer yapmazsanız, sisteminizde küçük bir kalıntı hata olur.
Kuantum bilişimle ilgili olarak politika yapıcıların ve toplumun düşünmesi gereken riskler var mı?
Horowitz: Kuantum bilişiminin oluşturduğu en büyük riskin, daha önce de belirttiğim gibi, bugün web’de kullanılan tüm şifrelemelerin güvenliğini kırmak için kullanılabilmesi olduğunu düşünüyorum. Ve bu yüzden Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’nün kuantum güvenli şifreleme geliştirmek için bir yarışma düzenlemesinin ve kazanan yaklaşımları seçmesinin nedeni budur ; böylece bilgisayarlar arasındaki iletişimi, bir kuantum bilgisayarının kıramayacağı şekilde şifreleyebiliriz.
Bu yeni protokolleri yeterince erken devreye sokmak istiyoruz, böylece kuantum bilgisayarları bugünün şifrelemesini gerçekten kırabildiğinde, çok da önemli olmayacak, çünkü daha güçlü bir şifrelemeye geçtik. Ağ internet protokollerindeki sorunlardan biri, insanların bir protokolü kullanmayı bırakıp yenisine geçmelerini sağlamanın çok uzun zaman almasıdır. Bu nedenle, kuantum bilgisayarlar on yıl veya daha uzun bir süre boyunca mevcut olmayacak olsa bile, güvenlik protokollerinde bu değişiklikleri şimdi yapmaya başlamamız önemlidir.
Raporunuzda ABD’nin kuantum bilişimine desteğini sürdürmesinin kritik olduğu söylendi ve şifreleme riskinin nedenlerden biri olduğu anlaşılıyor. Kuantum bilişiminin ulusal güvenlik için başka etkileri var mı?
Horowitz: Ulusal güvenlik, teknolojik sürprizi en aza indirmek için sürekli olarak yeni teknolojiler keşfetmeyi gerektirir — bir düşmanın beklemediğiniz bir saldırı yaratma riskini en aza indirmek. Kuantum bilişiminin potansiyeli henüz bilinmediğinden, potansiyelini keşfetmeye devam etmek akıllıca görünüyor.
Konu ile ilgili olarak öne çıkan bir yayın:
Kuantum Bilgisayarı: İlerleme ve Beklentiler (2019)
Çok küçük (kuantum) parçacıkların davranışını tanımlayan fizik alt alanı olan kuantum mekaniği, yeni bir hesaplama paradigmasının temelini oluşturur. İlk olarak 1980’lerde kuantum sistemlerinin hesaplamalı modellemesini geliştirmenin bir yolu olarak önerilen kuantum hesaplama alanı, küçük ölçekli cihazların inşasında kaydedilen ilerleme nedeniyle son zamanlarda önemli bir ilgi görmüştür. Ancak, büyük ölçekli, pratik bir kuantum bilgisayarı elde edilebilmesi için önemli teknik ilerlemeler gerekecektir.
Kuantum Bilgisayarı: İlerleme ve Beklentiler, teknolojinin benzersiz özellikleri ve kısıtlamaları da dahil olmak üzere alana bir giriş sağlar ve gerçek dünya sorunlarını ele alabilen işlevsel bir kuantum bilgisayarı oluşturmanın uygulanabilirliğini ve etkilerini değerlendirir. Bu rapor, donanım ve yazılım gereksinimlerini, kuantum algoritmalarını, kuantum bilgisayarlarındaki ve kuantum cihazlarındaki ilerlemelerin itici güçlerini, ilgili kullanım durumlarıyla ilişkili ölçütleri, gereken zaman ve kaynakları ve başarı olasılığının nasıl değerlendirileceğiniele alır.
https://nap.nationalacademies.org/catalog/25196/quantum-computing-progress-and-prospects