Tercih yapacak lise mezunları için: Amacın kuantum bilgisayarını yapmak olabilir mi?

Öncelikle,

sınavın iyi ya da kötü geçti, bütün sene çalıştın ama düşündüğün puanı alamadın ya da düşündüğünden çok daha iyi puan aldın. Birkaç ay içinde iyi ya da kötü bunların hepsine set çekeceksin, çünkü üniversite 'gerçekten' düşündüğünden farklı bir ortam ve her şeyden önce ÖSS seni gerçekten ölçebilen bir sınav değil. Sen bir ya da iki sınavla 'ölçülebilen' bir varlık değilsin. Emin ol, daha karmaşık bir yapın var.

Şimdi gelelim asıl konuya.
İnternetten, Bilim-Teknik'ten, ufuk açıcı lise fizik hocandan vs. bir şekilde 'kuantum bilgisayarı' diye bir şey duydun. Kulağa ilginç geliyor, çünkü senin hiç düşünmediğin iki kavramı birleşmiş görüyorsun. Kuantum- lisede atom orbitallerini öğrenirken (1s 2s 2p ...) duymuştun, ha bir de madde dalgalarından bahsettiyse fizik hocan, orada biraz kulağında yer edindi. Lisede kendisinden bu kadar azıcık bahsedilse de, biliyorsun ki lise dışı bilim dünyasında sürekli her yerde. Bilim-teknik ya da herhangi bir bilim dergisinde süperiletkenleri okurken yazarın kuantumdan bahsettiğini hatırlıyorsun. Rüyalarını süsleyen CERN'de, fizikçilerin kuantum dünyasındaki parçacıklarla deney yaptığını biliyorsun. Popüler bilim kitapları yoluyla kuantuma dair hep bir şeyler öğrenmeye çalıştın. En kafana takılan şeylerden biri, dolanıklık-dolaşıklık (ya da belki daha anlamlı gelecek olan 'entanglement'). Bütün popüler bilim yazarları dolanıklık sayesinde evrenin iki ucundaki iki parçacığın haberleşebileceğini falan söylüyor, anlamıyorsun. Nasıl olabilir ki? En emin olduğun şeylerden biri, bilgi transferinin ışık hızını geçemeyeceğini. Yerellik ve nedensellik ilişkileri darmadağın durumda. -- Diğer tarafta her gün kullandığın, dünya kadar bilgiye ulaşabildiğin, film izlediğin, ödev yaptığın, haberleştiğin bilgisayar. Hasbelkader lise bilgisayar hocası sana bir programlama dili öğretti de kendi hesap makineni yazdın. Ya da aslında çok iyi bir hackersın ama çaktırmıyorsun. İki bilgisayar gümlettin, baban farkında olmadan yeni bilgisayarı toparlama derdinde falan olabilirsin mesela. Bilgisayarın donanımı ya da yazılımı çok ilgini çekiyor. Yapmak istediğin şey ya elektronik mühendisi olmak ya da bilgisayar mühendisi. Ötesi mümkün değil.

Bu birbirine çok uzak gibi duran ve nitekim iki farklı ekolden gelen bu iki kavram nasıl oluyor da aynı fiziksel tabanı paylaşabiliyor? Bunu hakkını vererek anlamak zor olduğu kadar, anlatmak da zor, özellikle de dinleyici ya da okuyucu liseden henüz mezun olmuşken. Yine de deneyeceğim.

Öncelikle aklının bir köşesinde yer edinmesi gereken kavram, 'bilgi'. Bilgi (enformasyon) fiziksel olarak tanımlanabilen bir kavram. Örneğin, bir sinus eğrisi düşün. Bu eğrinin iki tane önemli özelliği var. Biri genliği, diğeri de frekansı ya da periyotu. Eğer ben sana belirli bir genlik ve frekans değeri verirsem o sinüs eğrisini kağıda çizebilirsin, değil mi? Dolayısıyla bir sinüs eğrisi çizmek için 'bilinmesi' gereken iki bilgi var. Bu sinüs eğrisi bir devreye verdiğin AC sinyal olabilirdi. Yani eğrinin-dalganın-sinyalin genliği ve frekansı fiziksel olarak anlamlı büyüklükler.
Bu düşünceyi genelleyerek, fiziksel bir sistemde tanımlanan ve kullanılan bütün parametrelerin bilgi değeri taşıdığını söyleyebiliriz. Bu yüzden aklına gelen her şey fiziksel bir parametre olmak zorunda değil. Olabilmesi için, her şeyin başında fiziksel olarak anlamlı bir bilgi taşıyor olması gerek.

Aslında temelde hepimizin ama hepimizin yaptığı şey bu bilgilerle oynamak. Kimimiz yeni bilgiler bulma telaşında, ki yeni bilgi demek bilmediğimiz fiziksel bir sistemi anlamamız, öğrenmemiz demek, mesela ışığı evrenin uzak bir köşesinden bize ulaşan süpernova patlamaları yoluyla süpernovaları anlamak gibi. Kimimiz ise çok iyi anladığımız bilgileri farklı şekillerde bir araya getirip 'kullanılabilir' sistemler tasarlamayla meşgul, bilgisayarın içindeki işlemciye kod yazan mühendis gibi.

Klasik bir bilgisayarda -yani önünde duran bilgisayar gibi- bilgi, gerçekliğin farklı katmanlarında farklı şekillerde temsil edilebilir. Yazılım katmanında bilgi ikili tabanda 0 ve 1'ler ile temsil edilir. Bunlara 'bit' denir. Yani aklına gelebilecek her türlü sembol, harf, sayı bitler cinsinden yazılır. Mesela 00001000, 8 bitlik bir sayıdır. Neden ikili sistem sorusuna herkesin değişik cevapları olabilir. Donanım katmanında çalışan bir elektronik mühendisi için 0 ve 1, bir devrenin sırasıyla 0 V ve 5 V gerilim değerleriyle besleniyor olmasını temsil edebilir. Bir hattan akımın akıyor olması 0 ise, akmıyor olması 1'dir. Eğer önündeki nükleer bir kuantum bilgisayarı olsaydı, 0 ve 1'leri bilgisayarı yapmakta kullanılan molekülün atomlarının spin konumlarıyla ifade ediyor olacaktık. Elbette o durumda sistemimiz bir kuantum sistemi olduğu için kuantum etkilerini göz ardı edemeyecektik ve dolayısıyla artık bitlerden değil, kubitlerden bahsediyor olacaktık. İkili sistem mantığı yine aynı kalmakla beraber, kuantum mekaniğinin getirdiği bazı ilkeleri de kullanacaktık, mesela -atomik bilgisayar için- spinlerin süperpozisyon halinde olabilmeleri gibi, yani sistemin aynı anda hem spin yukarı hem spin aşağı olması durumu. (elbette bir ölçüm yaptığınızda ya 0 ya da 1 elde edersiniz, ancak sistemi kendi kendine evrimleşmeye bıraktığınızda, sistem 0 ve 1'in herhangi bir süperpozisyonuna evrilebilir. Aynı şekilde hazırlanmış birden çok sistem üzerinde deney yaparak bu olasılıkları belirlemek mümkün. Nitekim bu durum bir kuantum sistemine depolayabileceğiniz bilginin klasik bir sisteme depolayabileceğinizden daha fazla olduğunu da gösterir.)

Bilgisayarın diğer bir önemli özelliği, bilgiyi işlemesi. Bu, bir sürü bitlerden oluşan bir dosyayı açıp üzerine değişiklikler yapıp bitleri değiştirmeniz anlamına da gelir. Devre boyutunda işler biraz daha karmaşık. Bir elektronik mühendisi için bilgi, sinyalle eşdeğer olduğundan, bilginin işlenmesi sinyalin işlenmesi demek. Bir sinyalin fiziksel anlam taşıyan özellikleriyle (genlik-frekans-faz) oynayarak sinyali farklı bir sinyale dönüştürebilirsiniz, yani sinyali işleyebilirsiniz. Bir sinyal tek bir sinüs eğrisi olmak zorunda değildir, aksine birçok sinüs eğrisinin birleşiminden oluşmuş olabilir. Dolayısıyla karşınızda sonsuz çeşitte sinyal olabilir, aynı sonsuz sayıda fonksiyon düşleyebildiğiniz gibi. Her bir uygulama için farklı metotların olduğunu göz önünde bulundurursanız, sinyal işleme alanının ne kadar geniş olduğunu tahmin edebilirsiniz. İşin matematiksel kısmı bu kadar genişken elbette devreye uygulanma tarafı da bir bu kadar geniş.
Şimdi tüm bunların bir de kuantum versiyonunu düşünün. Nasıl bir bilgisayar mühendisi kodunu yazmadan önce algoritma (sinyal işleme reçetesi) oluşturuyorsa, benzer şekilde kuantum algoritma denilen bir alan mevcut. Klasik bir algoritma bitler üzerinde işlem yaparken, kuantum algoritma kubitler üzerinde kuantum etkilerini de kullanarak işlem yapıyor. Nasıl klasik bir bilgisayar, klasik bir algoritmayı  koşuyorsa bir kuantum bilgisayarı da bir kuantum algoritmayı koşuyor.

Kuantum bilgisayar için bir kuantum devre teorisi de var. Nasıl klasik bir algoritmada mantık kapılarını (ve, ya da, değilleme vs.) kullanıyorsak, kuantum algoritmaları koşmak için kuantum kapılarını kullanıyoruz. İşin özü, elektronik ve bilgisayar mühendisliğinde düşünebileceğiniz ne varsa kuantum versiyonuna da uygulanmaya çalışılıyor. Mesela kuantum etkilerinin ortaya çıktığı diğer alanlardan biri haberleşme ve kriptografi teorileri.

Peki neden henüz bir kuantum bilgisayarı kullanmıyorsun?
Kuantum hesaplama araştırmaları birçok alanda disiplinler arası bir şekilde yapılıyor. Yukarıda anlattıklarımın (kuantum devre teorisi, kuantum bilgi teorisi ve işlemesi, kuantum algoritmaları vs.) yanı sıra donanımsal kuantum hesaplama araştırmaları da söz konusu. Elektronik bir bilgisayar, elektronu kullanarak çalışıyor, fakat henüz kuantum bir bilgisayar için hangi fiziksel tabanın kullanılacağı kesin değil. Bunun en büyük nedeni, hiçbir fiziksel tabanın bir diğerine ezici bir şekilde dominant olamaması. Yani her fiziksel tabanın kendince artıları ve eksileri var.
Kuantum hesaplama çalışmaları ilk olarak nükleer spinleri kubit olarak kullanmayla başlıyor. Nükleer manyetik rezonans (NMR) denilen yöntem ile bazı özellikleri sağlayacak moleküller üzerinde ufak kuantum çipleri tasarlamanız mümkün. İki kubitli işlemcileri rahatça tasarlayabilirsiniz ve iki kubitle çalışacak algoritmaları bu sistemde koşturabilirsiniz (gerçekten çalışıyor!). Aslında doğanın size sunduğu doğal çipler bunlar, bu açıdan da oldukça etkileyici. Fakat kubit sayısını arttırmaya başladıkça moleküller karmaşıklaşıyor ve bir noktadan sonra başa çıkılamaz hale geliyor, kısacası NMR sistemleri genişleyebilir değil. Kimse sadece 13 kubitle çalışacak bir kuantum bilgisayarı istemez.

NMR dışında birçok diğer yöntem var. Optik kubitler -ışık- ya da süperiletken kubitler de kuantum bilgisayarı tasarlayabilirsiniz. Elektron spinleri, kuantum noktaları, iyon tuzakları da yine diğer yöntemler. Hepsinin ortak noktası, öyle ya da böyle ikili sistemlerden oluşmuş olmaları, yani 0'ı ve 1'i temsil eden durumlardan. Her birinde araştırmalar sürüyor ve her biri kendince avantajlara ve dezavantajlara sahip. Örneğin benim çalıştığım süperiletken kubitler, elektronik teknolojisini kullanıyor. İnsan tasarımı kuantum sistemler oldukları için, genişleyebilir özelliğe sahipler, yani yüzlerce, binlerce kubitle tasarlamak mümkün. Öte yandan kuantum bilgisayarının en büyük problemlerinden biri bilginin zamanla kaybı. 'Etkileşim' aklında bulunması gereken diğer önemli kavram. Temelde bütün deneylerimiz ve gözlemlerimiz bir etkileşim sonucudur. Farklı parçacıkların ya da alanların birbiriyle etkileşimi. Kuantum bilgisayarının çevreyle etkileşimi sonucunda da bilgi sistemden çevreye yayılır ve bu belirli bir zamanda olur. Bilginin çevreye yayılma süresi de her kuantum sistemi için farklıdır. Süperiletken sistemlerde bu süre diğerlerine göre düşük, dolayısıyla bir dezavantaj.

Kuantum Hesaplama alanında çalışmak için ne okumalısın?
Elimden geldiğince alanın ne kadar disiplinler arası olduğunu anlatmaya çalıştım. Bu alanda çalışanların çoğunluğu fizikçiler olmakla beraber, büyük miktarda matematikçi, bilgisayar bilimcisi ve elektronik mühendisi de bulmak mümkün. Aslında alan hepsinin ortak çalışmasının bir ürünü. Kuantum hesaplama ve kuantum bilgisayarını yapma çabaları ortaya sadece pratik bir ürün çıkartma hevesi kesinlikle değil. Kuantum bilgisayarının klasiğe oranla daha güçlü olacağı düşünülmekle beraber, alan oldukça temel fiziksel sorulara gebe. Bence bunlardan biri, bu alanın açık kuantum sistemlerini incelememize olanak vermesi. Fiziksel bir sistemin çevreyle etkileşimini anlamak için önemli bir araç, kuantum hesaplama. Ayrıca genel olarak 'etkileşim'i ve 'ölçme-gözlemleme' kavramlarını da aydınlatacak gibi duruyor. Kısacası temel kuantum etkilerini anlamak için müthiş bir olanak.

Benim önerim, işin neresiyle ilgileniyorsanız onu okumanız yönünde. Yani elektronik mühendisi olmak istiyorsanız ama bu alan da aklınızı çeliyorsa, yine de elektronik mühendisliği okuyun. Fakat ne okursanız okuyun yanına en azından bir fizik yandalı koymaya çalışın. Çünkü kuantum mekaniğinde sağlam bir anlayışa ve kavrayışa ihtiyacınız olacak. Buna sahip olduğunuz zaman, örneğin elektronikteki kabiliyetlerinizi kuantum hesaplama alanında kullanabilirsiniz.


Umarım yararlı olmuştur. Herkese mutlu hayatlar.