GS01-Kuantum Bilgisayar
advertisement
24.12.2015 Kuantum Bilgisayar Klasik Bilgisayara Karşı >> D-Wave’in kuantum bilgisayarı ne kadar hızlı ve ne kadar akıllı? - Kozan Demircan KUANTUM BİLGİSAYAR KLASİK BİLGİSAYARA KARŞI >> D-WAVE’İN KUANTUM BİLGİSAYARI NE KADAR HIZLI VE NE KADAR AKILLI? Kozan Demircan | 21/02/2014 | Bilim-Teknoloji, Bilişim-İnternet | 3 yorum D-Wave Systems şirketi 2007 yılından beri kuantum bilgisayar geliştiriyor. D-Wave’in son modeli olan 512 qubitlik Vezüv bilgisayarı NASA, Google ve Uzay Araştırmaları Üniversiteler Birliği USRA tarafından çeşitli bilimsel projelerde kullanılıyor. Peki klasik bilgisayarların evimizdeki PC’lerden neyi eksik? Neden kuantum bilgisayar? Kuantum bilgisayarlar “kuantum dolaşıklığı” özelliğinden yararlanıyor ve bu sayede, mantık işlemlerinde aynı anda hem 0 hem de 1 değerlerini alabiliyor. Bu nedenle kuantum bilgisayarlar temel enformasyon birimi olan “bit” yerine qubitlerle (kuantum bitler) çalışıyor ve böylece çok yüksek bir paralel işlem kapasitesine sahip oluyor. Paralel işlemciler alanında büyük gelecek vaat eden kuantum bilgisayarlar, başta NASA’nın Kuantum Yapay Zeka Laboratuarı olmak üzere birçok araştırma merkezinde akıllı robotlar, kendi kodunu kendi yazan zeki yazılımlar ve düşünen bilgisayarlar geliştirmekte kullanılacak. ABD Ulusal Güvenlik Ajansı NSA de bilgisayar şifrelerini kırıp gizli bilgilere erişmek ve interneti gözetlemek için güçlü bir kuantum bilgisayar geliştirmeye çalışıyor. Akıllı arama motorlarının gücü adına! Güç Google’da artık: İnternet devi Google, kuantum bilgisayarların üstün işlem kapasitesini Büyük Veri analiz gücünü artırmak için kullanmak istiyor. Böylece sadece aradığımız kelimeleri değil, kurduğumuz cümleleri de anlayan akıllı web arama motorları geliştirecekler. Akıllı arama motorları kullanırken arama kutusuna “Türkiye + gayrisafi yurtiçi hasıla” gibi bir sorgu girdiğimizde sadece ilgili sayfaların linklerini görmekle kalmayacağız. Google aynı zamanda bize Türkiye’nin güncel ekonomi grafikleri ile son ekonomi haberlerini de gösterecek. Bunları Vikipedi makalesi gibi derleyip özetleyecek ve bize akıcı bir bilgi notu http://khosann.com/kuantum-bilgisayar-klasik-bilgisayara-karsi-d-wavein-kuantum-bilgisayari-ne-kadar-hizli-ve-ne-kadar-akilli/ 1/15 24.12.2015 Kuantum Bilgisayar Klasik Bilgisayara Karşı >> D-Wave’in kuantum bilgisayarı ne kadar hızlı ve ne kadar akıllı? - Kozan Demircan halinde sunacak. Şimdilik bunu dünyada yapabilen tek bir arama motoru var. O da dahi fizikçi Stephen Wolfram’ın geliştirdiği Wolfram Alpha adındaki özel bir “bilgi işlem motoru”: Wolfram Alpha basit bir arama motoru değil, gerçek bir Yapay Zeka programı ve sadece klasik bilgisayarları kullanarak yukarıda belirttiğimiz gelişmiş arama sonuçlarını sağlıyor. Google da D-Wave şirketine ait Vezüv (Vesuvius) kuantum bilgisayarını kullanarak Wolfram Alpha ile rekabet etmek istiyor. Kuantum bilgisayarlar hangi açıdan avantajlı? Kuantum bilgisayarların çok ilginç bir özelliği var: Klasik bilgisayarların tersine sadece “evet – hayır”, “var – yok”, “açık – kapalı”, “1 – 0” değerleriyle çalışmıyorlar. Aynı anda hem 1 hem de 0 değerini alabiliyorlar. Kuantum fiziğinde buna süper pozisyon veya üst üste bindirme özelliği diyoruz. Kuantum bilgisayarlar bunu atomlar, elektronlar ve fotonlarla yapabiliyor. Bildiğiniz gibi atomlar bizi oluşturan maddenin yapı taşları ve elektronlar da manyetik alanlar ile elektrik enerjisinden sorumlu. Fotonlar ise bildiğimiz gün ışığını meydana getiriyor. Kuantum bilgisayarlar gözle görebileceğimiz büyüklükteki bilgisayar çipleri yerine bu mikroskobik sistemlerle, atom ve parçacık boyutundaki işlemcilerle çalışıyor. http://khosann.com/kuantum-bilgisayar-klasik-bilgisayara-karsi-d-wavein-kuantum-bilgisayari-ne-kadar-hizli-ve-ne-kadar-akilli/ 2/15 24.12.2015 Kuantum Bilgisayar Klasik Bilgisayara Karşı >> D-Wave’in kuantum bilgisayarı ne kadar hızlı ve ne kadar akıllı? - Kozan Demircan Atomik bilgisayarlar Peki bunun anlamı ne? Bunun anlamı, kuantum bilgisayarların nanometre ölçeğinden çok daha küçük boyutlarda çalışması; yani kuantum bilgisayarların beyni çok az yer kaplıyor ve bu bilgisayarlar son derece az enerji tüketiyor. D-Wave Vezüv kuantum bilgisayarının torunları, atom ölçeğinde süper hızlı çalışan ve çok az elektrik tüketen süper bilgisayarların üretilmesini sağlayacak. Böylece insan tırnağı boyundaki bir bilgisayar, Google’ın futbol sahası büyüklüğündeki dev veri merkezleri kadar çok sayıda kullanıcıya hizmet verebilecek. Paralel işlemciler aynı anda birçok farklı işlem yapıyor Ancak kuantum bilgisayarların en önemli yanı paralel işlem kapasitesi: Paralel işlem bir bilgisayarın aynı anda yüzlerce, binlerce, milyonlarca hesaplama yapabilmesi demek. Bu işlemleri sırayla değil, aynı anda yaptığınızda işlem hızınız inanılmaz ölçüde artıyor. Şöyle düşünelim; aynı anda hem işyerinde bülten yazıyoruz hem evde blog yazıyoruz hem de evi süpürüp yemek yapıyoruz. Üstelik bütün bunları kafamız karışmadan ve yorulmadan yapıyoruz (güzel bir hayal değil mi?). Paralel işlemcilerin avantajları belli ve aslında çok işlemcili klasik bilgisayarlar da paralel işlem yapabiliyor fakat arada bir fark var: Klasik bilgisayarlarda işlemciler tek tek bakıldığında “seri olarak” çalışıyor ve ardışık işlemler yapıyor; yani bir işi bitirmeden diğer işe geçmiyor. Oysa biz klasik bilgisayarlarda örneğin 4 işlemciyi yan yana çalıştırarak, bunların paralel iş görmelerini sağlayabiliyoruz. http://khosann.com/kuantum-bilgisayar-klasik-bilgisayara-karsi-d-wavein-kuantum-bilgisayari-ne-kadar-hizli-ve-ne-kadar-akilli/ 3/15 24.12.2015 Kuantum Bilgisayar Klasik Bilgisayara Karşı >> D-Wave’in kuantum bilgisayarı ne kadar hızlı ve ne kadar akıllı? - Kozan Demircan Yüksek performanslı bilgi işlem Günümüzde bu sistem üniversitelerdeki Yüksek Performanslı Bilgisayar (HPC) sistemlerinde kullanılıyor. HPC, dünyanın en büyük araştırma laboratuarlarındaki diğer süper bilgisayarlara göre oldukça ekonomik bir alternatif. Bu sistemde onlarca veya yüzlerce bilgisayar (sunucu) yan yana, imece usulü çalışarak paralel işlem yapıyor. Kuantum bilgisayarlar ise sadece 1 ve 0 değerlerini değil, bilgisayar mantık operasyonlarında kullanılan “ve – veya” gibi ara değerleri de alıyor. Örneğin süper pozisyon durumunda bir elektron yüzde 64 ihtimalle spin yukarı durumda ve yüzde 36 ihtimalle spin aşağı durumda olabilir. Bir mıknatıs ve bir topluiğne Burada biraz nefes alalım ve kısaca elektron spinini açıklayalım. Sonra kuantum bilgisayarların nasıl çalıştığını daha kolay anlayacağız: Elektronun spin durumunu (bir kuantum özelliği) mıknatısa “yapışan” topluiğnelerle açıklayabiliriz. Sonuçta mıknatısların bir manyetik alanı var. Bu manyetik alanın bir kuzey kutbu bir de güney kutbu bulunuyor (çubuk mıknatıslardan ve evet, pusulaların kuzey kutbunu göstermesine benzer bir olaydan söz ediyoruz). Diyelim ki bir topluiğne elimizdeki mıknatısa sivri ucu yukarı bakacak şekilde yapışıyor. Bu aslında iğneyi meydana getiren metal atomlarının spin durumuyla ilgili bir olgu. Elektronlar, mıknatısın manyetik alan çizgileri üzerinde hizaya geliyor ve toplu iğnenin ucu da yukarı bakıyor. Şimdi siz elinizle zorlayarak iğneyi döndürebilir ve mıknatısın üzerinde ucunun aşağı doğru bakmasını sağlayabilirsiniz. http://khosann.com/kuantum-bilgisayar-klasik-bilgisayara-karsi-d-wavein-kuantum-bilgisayari-ne-kadar-hizli-ve-ne-kadar-akilli/ 4/15 24.12.2015 Kuantum Bilgisayar Klasik Bilgisayara Karşı >> D-Wave’in kuantum bilgisayarı ne kadar hızlı ve ne kadar akıllı? - Kozan Demircan Elektron spini Elbette bunun için enerji harcamamız gerekecek. Çünkü elektronların doğal spin durumunu zorla değiştiriyoruz. Kuantum bilgisayarlar da bu şekilde çalışıyor. Örneğin kuantum çipleri elektronların spin durumunu değiştiriyor. Sözün özü, kuantum bilgisayarlar bilgiyi (enformasyonu, bilgi birimi olan bitleri) elektronların spin durumunu değiştirerek kodluyor. Ancak Heisenberg’in Belirsizlik İlkesi nedeniyle, biz bir parçacığın konumu ve hızını aynı anda yüzde 100 kesinlikle bilemiyoruz. Bu nedenle de bir elektrona baktığımız zaman hangi spin durumunu alacağını önceden bilemiyoruz. Bu konuda ancak tahmin yürütebiliyoruz. Elektron bir ihtimal spin yukarı durumda olabilir ve bir ihtimal spin aşağı durumda olabilir. Süper pozisyon olgusu işte bu olasılık hesabına, bu olasılık oranlarına karşılık geliyor. Öyleyse soralım: Süper pozisyon nedir? Yukarıdaki mantık nedeniyle, Belirsizlik İlkesi elektronların aynı anda hem spin yukarı hem de spin aşağı durumunda olmasınaizin veriyor! Mıknatısı hatırlayacak olursak, mıknatısın üzerindeki topluiğnenin sivri ucunun aynı anda hem aşağı hem de yukarı baktığını düşünün. Buna benzer bir olay. Bu özelliğe elektronun süper pozisyonu diyoruz ve kuantum bilgisayarlar da bu özellik sayesinde aynı anda hem 1 hem de 0 değerlerini alabiliyor. Örneğin elektronun yüzde 64 oranında spin yukarı durumunda, yüzde 36 oranında ise spin aşağı durumda olması söz konusu. Aslında bu oranlar, bir elektrona baktığımızda, o elektronunun hangi spin durumunda olacağını gösteren ihtimallerdir. http://khosann.com/kuantum-bilgisayar-klasik-bilgisayara-karsi-d-wavein-kuantum-bilgisayari-ne-kadar-hizli-ve-ne-kadar-akilli/ 5/15 24.12.2015 Kuantum Bilgisayar Klasik Bilgisayara Karşı >> D-Wave’in kuantum bilgisayarı ne kadar hızlı ve ne kadar akıllı? - Kozan Demircan Süper pozisyon ve kuantum bilgisayarlar İşte bu nedenle kuantum bilgisayarlarda tek bir işlemci bile çok sayıda paralel işlem yapabiliyor. Klasik bilgisayarlarda olduğu gibi iki seri işlemciyi yan yana çalıştırarak fazla elektrik tüketmemize ve ofiste büyük veri merkezi ile yer işgal etmemize gerek kalmıyor. Elektronun yüzde 64 ihtimalle spin yukarı durumda olması bir “bit”tir (mesela işlemcinin mantık kapısındaki 1 değeri). Elektronun yüzde 36 ihtimalle spin aşağı durumda olması da yine bir “bit”lik enformasyona karşılık geliyor (bu durumda 0 değeri). Demek ki kuantum bilgisayarlar klasik“bit”lerle değil, kuantum bitlerle yani “qubit”lerle çalışıyor. Süper pozisyon halindeki bit çiftlerine qubit diyoruz Her bir qubit klasik bilgisayarlardaki 2 bite karşılık geliyor. Öyleyse kuantum bilgisayarların ham işlem kapasitesinin de klasik bilgisayarların iki katı olması gerekiyor; ama durun, maceramız daha bitmedi: Şimdi elimizdeki kuantum bilgisayarın iki qubitle çalıştığını düşünelim veya 10 qubitle ya da D-Wave’in Vezüv bilgisayarında olduğu gibi 512 qubitle çalıştığını varsayalım. O zaman ne olacak? Kısacası bütün bu farklı qubitleri birbirine nasıl bağlayacağız? Bunukuantum dolaşıklığı ile yapıyoruz: İki elektronu dolaşıklığa soktuğumuzu düşünelim. Kuantum fiziğinin alışılmadık yasaları yüzünden, bir elektron spin yukarı durumda ise onun dolaşıklığa girdiği diğer elektron spin aşağı durumda olacaktır.1 http://khosann.com/kuantum-bilgisayar-klasik-bilgisayara-karsi-d-wavein-kuantum-bilgisayari-ne-kadar-hizli-ve-ne-kadar-akilli/ 6/15 24.12.2015 Kuantum Bilgisayar Klasik Bilgisayara Karşı >> D-Wave’in kuantum bilgisayarı ne kadar hızlı ve ne kadar akıllı? - Kozan Demircan Kuantum bilgisayarlar qubitleri birbiriyle dolaşıklığa sokarak çalışıyor ve böylece paralel işlem yaparak karmaşık matematik problemlerini çözebiliyor. Artık size 1 qubit yerine 2 qubitle çalışan bir kuantum bilgisayarın işlem kapasitesini söyleyebilirim: 22 . Peki neden? Neden 2 klasik bit değil de 4 bit? Çünkü 2 qubit 4 klasik bite (4 kombinasyona, yani 4 katsayıya) eşit. Her elektron qubitinde elektronun aynı anda hem spin yukarı hem de spin aşağı durumda olduğunu, her iki ihtimali de içerdiğini hatırlayın. Öyleyse 3 qubit de 8 bite (23 ) karşılık geliyor ve bu böyle gidiyor. Tamam, burada durup biraz nefes alalım ve D-Wave Two bilgisayarının (kod adı Vezüv) ham işlem kapasitesini hesaplayalım: Vezüv 512 qubitle çalışıyor, yani bu kuantum bilgisayarın işlem kapasitesi tam 2512 bit! Bu sayı, Evren’deki bütün atomaltı parçacıkların sayısından kat kat fazla. Evet, bu noktada “Vay be!” diyebiliriz :). Ancak en önemli detayı atladık: Qubitlerle nasıl işlem yapabiliriz? Qubitleri oluşturduk, yani tek tek elektronları süper pozisyon durumuna getirdik ve 512 elektronu birbiriyle dolaşıklığa geçirdik. Öyle ki biri yukarı bakıyorsa, diğeri aşağı bakıyor ve sıradaki üçüncü elektronun da yukarı baktığını biliyoruz. Şimdi elimizde DNA gen dizisine benzeyen ve 1 ile 0’lardan oluşan bir işlem dizisi var. İyi de bu süper uzun rakam trenini “2 kere 2 dört eder” gibi anlamlı bir matematik işlemi yapmak için nasıl kullanacağız? Aslında kuantum bilgisayarların bütün esprisi burada yatıyor. Çünkü bir elektron yalnızca hiçbir insan, hiçbir deney aygıtı, hiçbir kamera veya kedigözü sensör bakmıyorsa; yani söz konusu elektron çevreyle hiçbir fiziksel etkileşime girmiyorsa süper pozisyon durumunda olabilir. Oysa bir elektrona kutunun içini açıp bakarsak, o elektron ya spin aşağı durumda olacaktır ya da spin yukarı durumda olacaktır. Gözümüzle gördüğümüz bir elektron asla aynı anda hem aşağı hem yukarı bakmayacaktır. Bizim örneğimizde elektrona baktığımızda, o elektron yüzde 64 ihtimalle spin yukarı ve yüzde 36 ihtimalle spin aşağı durumda olacaktır. http://khosann.com/kuantum-bilgisayar-klasik-bilgisayara-karsi-d-wavein-kuantum-bilgisayari-ne-kadar-hizli-ve-ne-kadar-akilli/ 7/15 24.12.2015 Kuantum Bilgisayar Klasik Bilgisayara Karşı >> D-Wave’in kuantum bilgisayarı ne kadar hızlı ve ne kadar akıllı? - Kozan Demircan Qubitlerin çökmesi Kuantum fiziğinde bunaolasılık dalga fonksiyonunun çökmesi ve elektronun nihayet gerçek bir enerji değeri alması diyoruz. Dolayısıyla bir kuantum bilgisayar işlem yaptığında, 2 bitlik bütün qubitler tek bite çöküyor ve bize tek bir gerçek bitlik (1 veya 0) işlem çözümü veriyor. Tabii Vezüv bilgisayarında 512 qubit birbiriyle dolaşık olduğu için; ilk qubit 1 değerini verirse, son qubitin hangi değeri vereceğini biliyoruz. Daha doğrusu bilgisayar biliyor ve bize işlemin sonucunu veriyor, çünkü biz sadece bilgisayardan çıkan sonucu görebiliriz: Kuantum bilgisayarların içini açıp süper pozisyonu bozamayacağımız için, bilgisayarın doğru çalışıp doğru işlem yaptığını kontrol etmenin tek yolu özel kuantum hata düzeltme yöntemleri kullanmak. Böylece kuantum dolaşıklığını bozmadan, dolaylı yöntemlerle bilgisayarın hata vermeden çalışmasını sağlayabiliyoruz (kuantum dolaşıklığının ışıktan hızlı iletişime izin vermemesi ile ilgili bir durum. Kuantum Yapay Zeka konulu ayrı bir yazıda ele alacağım. Şimdilik dolaşıklığın bilgiyi ışıktan hızlı iletmemize veya dünyada olanları önceden bilmemize kesinlikle izin vermediğini akılda tutmamız yeterli). Kısacası bilgisayarın içinde neler olup bittiğini bilmiyoruz, ancak dolaşık hallerin sağladığı nihai klasik sonuçları görebiliyoruz Böylece kuantum bilgisayarlarda çıktı olarak eski delikli kartlara benzeyen ve ikili sayı düzeninde 1 ve 0’lardan oluşan nihai bir değer elde ediyoruz. İşlem kuantum kurallarıyla yapılsa da çıktı klasik bilgisayar çıktısı oluyor. Öyleyse Vezüv’ün çalışma ilkesini özetleyelim: 1) Elektronları süper pozisyonla qubit haline getiriyor. 2) 512 qubiti birbiriyle dolaşıklığa sokuyor. 3) Sonra sırayla veya aynı anda qubitleri klasik bitler halinde “çökertiyor”. Öyle ki dolaşıklığa girmiş olan qubitler, önce hangi qubite http://khosann.com/kuantum-bilgisayar-klasik-bilgisayara-karsi-d-wavein-kuantum-bilgisayari-ne-kadar-hizli-ve-ne-kadar-akilli/ 8/15 24.12.2015 Kuantum Bilgisayar Klasik Bilgisayara Karşı >> D-Wave’in kuantum bilgisayarı ne kadar hızlı ve ne kadar akıllı? - Kozan Demircan bakıldığına veya aynı anda kaç qubite birden bakıldığına göre farklı değerler alıyor. Bu da bize işlem sonucunu veriyor. Hangi qubitlere ne sırayla bakılacağına bilgisayara verilen problemin kendisi belirliyor. Süper pozisyonu korumak zor Yalnız burada bir problem var: Kuantum bilgisayarların çalışması için gereken süper pozisyon hali, bir elektron çevreyle etkileşime girer girmez, örneğin biz o elektrona bakar bakmaz çöküyor. Çünkü elektronlar çok hassas. Yakındaki bir elektronla temas etmek gibi çevreyle en ufak bir etkileşim bile qubitlerin çökmesine ve qubitler arasındaki dolaşıklığın bozulmasına yol açıyor. Bu durumda kuantum bilgisayarlar tıpkı işlem hanesi sayısını aşan eski hesap makineleri gibi hata veriyor. Uzaydan daha soğuk Elektronların oda sıcaklığında gayet aktif ve enerjik olduğunu biliyoruz. Bu parçacıklar bugün odamızda biz görmesek bile oradan oraya sekerek yer değiştiriyor veya rastgele spin yukarı ya da spin aşağı durumda oluyor. Bu tam bir kaos ortamı ve bu sebeple bir kuantum bilgisayar oda sıcaklığında düzgün çalışamaz. Düzgün çalışması için elektronları soğutmak gerekiyor. D-Wave’in kuantum bilgisayarları da işte bu yüzden küçük bir oda büyüklüğünde. Çünkü 512 qubiti hassas bir şekilde işlemenin tek yolu, elektronları çevreden tümüyle izole etmek. Bunun için elektronları derin dondurucuda soğutuyorlar. http://khosann.com/kuantum-bilgisayar-klasik-bilgisayara-karsi-d-wavein-kuantum-bilgisayari-ne-kadar-hizli-ve-ne-kadar-akilli/ 9/15 24.12.2015 Kuantum Bilgisayar Klasik Bilgisayara Karşı >> D-Wave’in kuantum bilgisayarı ne kadar hızlı ve ne kadar akıllı? - Kozan Demircan Aslında elektronları evrenin doğum anındaki Büyük Patlama’nın solgun ve ölü bir yankısı olan Kozmik Mikrodalga Arka Plan Işınımından daha düşük bir sıcaklıkta soğutuyorlar. Bir kuantum bilgisayarın içi uzay boşluğundan 150 kat soğuk olup, mutlak sıfırın hemen üzerinde sadece 0,02 Kelvin derecedir (yaklaşık -273 santigrat). Nitekim resimdeki o büyük kutular, aslında küçücük kuantum işlemcileri saran dev soğutma sistemlerini ve bunları besleyen borularla güç kaynağını içeriyor. Bir kuantum bilgisayar için en büyük marifet, elektronları soğutarak sistemin düzgün çalışmasını sağlamaktır. Mühendislik açısından zor Kuantum bilgisayarlar atomdan bile küçük işlemcilere çalıştığı için bu sistemlerde elektronları soğutarak süper pozisyona sokmak ve bu elektronlardan oluşan farklı qubitlerin birbiriyle dolaşıklığa girmesini sağlamak çok büyük bir mühendislik sorunu. Bu yüzden D-Wave 2007 yılında kurulmasına karşın, ilk kuantum bilgisayarı ancak 2011 yılında üretebildi. Şimdi D-Wave Two Vezüv sisteminin nasıl çalıştığına ve günlük hayattaki klasik bilgisayarlar kadar hızlı veya akıllı olup olmadığına bakalım. Kuantum bilgisayarlar bugün neler yapabiliyor ve yarın neler yapabilecek? Zırhını iyi kuşanacaksın! D-Wave, kuantum bilgisayarları derin donduruculu laboratuar ortamından çıkarmak için süperiletkenlerden yararlanmayı tercih etti. Günümüzde süperiletkenler elektriği -181 ila -138 derece sıcaklıkta hiç direnç göstermeden iletiyor. Bu özellik kuantum bilgisayarlar için de gerekli, çünkü qubitleri dolaşıklığa sokmak için elektronları tek tek yönlendirmek lazım ve süperiletkenler de elektriği bunu başaracak kadar iyi iletiyor. http://khosann.com/kuantum-bilgisayar-klasik-bilgisayara-karsi-d-wavein-kuantum-bilgisayari-ne-kadar-hizli-ve-ne-kadar-akilli/ 10/15 24.12.2015 Kuantum Bilgisayar Klasik Bilgisayara Karşı >> D-Wave’in kuantum bilgisayarı ne kadar hızlı ve ne kadar akıllı? - Kozan Demircan Bununla birlikte, elektronların güvenle dolaşıklığa sokulması için süperiletkenlerin çok daha fazla soğutulması gerekiyor ve bunu başarmanın tek yolu kapalı devre bir soğutma sistemi kullanmak. Ancak, kuantum bilgisayarların düzgün çalışması için soğutma tek başına yeterli değil. Sistemin bir de manyetik alanlardan, örneğin cep telefonu sinyallerinden izole edilmesi gerekiyor. Gerçekten de kuantum bilgisayarların bugün bir oda kadar yer kaplamasının sebeplerinden biri de manyetik alanların yol açtığı paraziti önlemek için kalın bir zırh kullanma gerekliliği. Son olarak elektronları yalıtmak için bunları neredeyse yıldızlar arası uzay boşluğu kadar boş bir vakumda tutuyorlar. Nitekim Vezüv’ün işlemcileri, hataları önlemek için dış dünyadan tam 192 kontrol noktasıyla yalıtılmış bulunuyor. Vezüv’ün işlemcisini kuşatan manyetik alan ise Dünya’nın manyetik alanından 50 bin kat zayıf. Vezüv bu yüzden çok hassas ve en ufak bir parazitte sistemin dengesi bozuluyor. Klasik süper bilgisayarlardan çok daha az elektrik kullanıyor Bütün bu hassas sistemlere rağmen, son teknoloji ürünü bu kapalı devre soğutma sistemi yalnızca 15,5 kW/saat elektrik kullanıyor. Bunun karşılaştırmasını yapabiliriz: Tianhe-A süper bilgisayarı 4,04 Megawatt elektrik tüketiyor. Bu da kuantum bilgisayarların enerji tüketimini önemli ölçüde azalttığını ve az elektrik kullandığı için termik santrallere binen yükü de azaltarak karbon emisyonlarını sınırladığını, dolayısıyla küresel ısınmayı yavaşlattığını gösteriyor. Daha doğrusu, kuantum bilgisayarların ilk ticari modelleri çıktığında böyle olacak ve internette hızla artan veri trafiğini karşılayacak güçlü bilgisayarlar geliştirmek için bu şart: http://khosann.com/kuantum-bilgisayar-klasik-bilgisayara-karsi-d-wavein-kuantum-bilgisayari-ne-kadar-hizli-ve-ne-kadar-akilli/ 11/15 24.12.2015 Kuantum Bilgisayar Klasik Bilgisayara Karşı >> D-Wave’in kuantum bilgisayarı ne kadar hızlı ve ne kadar akıllı? - Kozan Demircan Cisco’nun son raporuna göre 2 global mobil internet veri trafiği 2013 – 2018 arasında 11 kat artacak. Bu gerçeği geçen yıl gördük: 2013 senesinde mobil internet veri trafiği ayda 1,5 milyon terabayt düzeyindeydi! Şimdi bunu akıllı arama motorları ve Büyük Veri yüküyle birlikte düşünelim. Ardından bilgisayarlarda depolanan veri miktarı ile kablolu internet trafiğini de Cisco’nun tahminlerine ekleyelim. Dünyanın veri trafiğinin hızla arttığını ve bunun da enerji tüketiminin katlanarak artmasına sebep olduğunu görüyoruz. Bize az enerji tüketen hızlı bir kuantum bilgisayar lazım. Türkiye kuantum bilgisayarlara fon ayırmalı D-Wave’in ve iş ortakları Google ile NASA’nın sadece 2512 qubitlik (!) bir kuantum bilgisayar için bile neden bu kadar yatırım yaptığını şimdi daha iyi anlayabiliyoruz. Nitekim D-Wave’in Teknoloji Direktörü Geordie Rose en basit kuantum bilgisayar araştırma fonunun 130 milyon dolardan başladığını söylüyor. Bu da bugün ucuza 100 adet F-16 avcı uçağı satın almak demek (örneğin Türkiye’nin F-16 filosunda yaklaşık 270 uçak var). Üstelik geleneksel bir süper bilgisayar sadece işlemciler için 1000 kW/saat elektrik tüketirken, Vezüv’ün işlemcileri kuantum dolaşıklığı sayesinde hemen hiç enerji kullanmıyor. Sistemdeki 512 qubit için 512 mini süperiletken devre kullanılıyor ve süperiletkenler elektriği direnç göstermeden ilettiği için enerji tüketimini inanılmaz ölçüde azaltıyor. http://khosann.com/kuantum-bilgisayar-klasik-bilgisayara-karsi-d-wavein-kuantum-bilgisayari-ne-kadar-hizli-ve-ne-kadar-akilli/ 12/15 24.12.2015 Kuantum Bilgisayar Klasik Bilgisayara Karşı >> D-Wave’in kuantum bilgisayarı ne kadar hızlı ve ne kadar akıllı? - Kozan Demircan Kuantum bilgisayarları bugün hangi işler için kullanıyoruz? Şimdilik sadece test amaçlı olarak kullanıyoruz. Henüz deneme sürümü aşamasında olan Vezüv bilgisayarına özel matematik problemleri sunuluyor: Örneğin bilgisayardan geniş bir arazideki en alçak noktayı bulması isteniyor ve sistem kuantum dolaşıklığından yararlanarak, problemin çözümüne yönelik bütün ihtimalleri aynı anda hesaplıyor. Bu arazinin bir kuantum enerji alanı olması durumunda ise, Vezüv parçacıklar arasındaki ilişkiyi bulmak için en düşük enerji düzeyini hesaplıyor ve kullanıcıya en iyi cevabı bulması için birden fazla sonuç sunuyor. Bu da kuantum bilgisayarlarla ilgili en önemli noktalardan biri: Kuantum bilgisayarlar paralel işlem yapıyor. Bu nedenle klasik bilgisayarda, örneğin bir notebookta çözmesi 100 gün alacak bir problemi kuantum bilgisayar 1 saniye içinde çözebiliyor. Ancak daha ilginç olanı, kuantum bilgisayarların, ilk sorudan 100 kat zor olduğu için PC’de çözmesi 10 bin gün alacak başka bir problemi de yine 1 saniyede çözebiliyor olması! Paralel işlemlerin ve qubitlerin gücü işte bu noktada açığa çıkıyor. Bunun da veri merkezlerini nasıl hızlandıracağını tahmin edebiliriz. Klasik bilgisayarların yerini almayacak Yalnız kuantum bilgisayarların çalışma mantığı farklı olduğu için, bu bilgisayarlar bütün işleri klasik bilgisayarlar kadar hızlı yapamıyor. Örneğin YouTube videosu izleyecekseniz kuantum bilgisayar yerine klasik bilgisayar kullanın; çok daha hızlı çalışır. Ancak, Evren’in Büyük Patlama ile nasıl oluştuğunu hesaplamak veya söylediklerinizi insan gibi anlayan akıllı bir web arama motoru geliştirmek istiyorsanız bir kuantum bilgisayar kullanabilirsiniz. http://khosann.com/kuantum-bilgisayar-klasik-bilgisayara-karsi-d-wavein-kuantum-bilgisayari-ne-kadar-hizli-ve-ne-kadar-akilli/ 13/15 24.12.2015 Kuantum Bilgisayar Klasik Bilgisayara Karşı >> D-Wave’in kuantum bilgisayarı ne kadar hızlı ve ne kadar akıllı? - Kozan Demircan Özetle, kuantum bilgisayarlar klasik bilgisayarların yerini almak için geliştirilmiyor. Klasik bilgisayarların yapamadığı veya yavaş yaptığı işleri daha hızlı yapmak için geliştiriliyor. Çünkü kuantum bilgisayarların zayıf ve güçlü yanları var: Örneğin kuantum bilgisayarlar klasik PC ile 100 günde çözülen bir problemi 10 yılda bile çözemeyebilir! Öte yandan 1 saniyede çözdüğü problemlerden 100 kat zor olan başka problemleri ise tıpkı klasik bilgisayarda olduğu gibi ölçekleyerek çözebilir; yani kuantum bilgisayarın bu problemleri çözmesi 1 saniye yerine 100 saniye alabilir. Bu alışılmadık durumun sebebine gelince; Kuantum bilgisayarlar bazı matematik işlemlerinde klasik bilgisayarlardan daha hızlı çalışıyor ve bazı işlemlerde daha yavaş çalışıyor. Bazı işlemleri ise klasik bilgisayarlardan daha az adımda tamamlıyor: 100 adım yerine 5 adımda tamamlamak gibi. Bu nedenle bütün işlemlerde klasik bilgisayarları geçemiyor. Qubit devreleri nasıl çalışıyor? D-Wave’in kuantum çipleri niobyum denilen bir “geçiş metali” alaşımıyla kaplı devrelerden oluşuyor. Bu devreler mikroskobik tel halkalar şeklinde örülüyor ve tel halkaların üzerinden geçen elektrik akımlarını saat yönünde (0) veya saat yönünün tersinde (1) döndürüyor. Vezüv kuantum bilgisayarında, spin yukarı durumdaki elektronlar işlemci halkasında sola, spin aşağı olanlar ise sağa doğru dönüyor. Qubit durumunda ise süper pozisyon oluşuyor ve sisteme kimse bakmadığı zaman, elektrik akımları aynı anda hem sağa hem de sola doğru dönüyor. D-Wave kuantum bilgisayarları için bu kuantum halkası yöntemini özellikle seçti, çünkü laboratuar ortamında kuantum dolaşıklığı yaratmak için kullanılan lazer soğutma sistemleri çok yer kaplıyor ve fazla enerji tüketiyordu. http://khosann.com/kuantum-bilgisayar-klasik-bilgisayara-karsi-d-wavein-kuantum-bilgisayari-ne-kadar-hizli-ve-ne-kadar-akilli/ 14/15 24.12.2015 Kuantum Bilgisayar Klasik Bilgisayara Karşı >> D-Wave’in kuantum bilgisayarı ne kadar hızlı ve ne kadar akıllı? - Kozan Demircan Vezüv bilgisayarı kuantum halkalarının dönme yönünü değiştirerek qubitleri tek bir değere, yani 0 veya 1’e çökertiyor ve işlemleri bu şekilde tamamlıyor. Bunun için işletim sistemi olarak özel kuantum algoritmaları kullanılıyor. Qubitler ham veriyi bu algoritmalara göre işliyor. Vezüv’ün en büyük avantajı birden çok qubiti hızla oluşturarak dolaşıklığa sokması ve laboratuar modellerinin tersine, qubitleri kullanarak gerçek bilgisayar işlemleri yapabilmesi. Elbette 512 qubiti hata vermeden kullanmak kolay değil. Örneğin ilk denemelerde Vezüv’ün 503 qubit kapasitesinde çalıştığını görüyoruz ve geri kalan 9 qubit hata veriyor. D-Wave şirketi ve diğer fizikçiler bunu “optimizasyon problemi” olarak adlandırıyor. Kuantum bilgisayarların düzgün ve hızlı çalışmak için optimize edilmesi gerekiyor. Vezüv dünyanın ilk büyük ölçekli kuantum bilgisayarı olduğu için elimizde endüstri standartları ve en iyi uygulamalar yok. Bu işi deneme yanılma yöntemiyle çözmek zorundayız. Klasik bilgisayarlar Vezüv’den daha hızlı! Los Angeles’taki Güney California Üniversitesi’nde yapılan testlerde klasik bilgisayarların D-Wave Two kuantum bilgisayardan daha hızlı çalıştığı görüldü. Aslında Vezüv test probleminin başlarında klasik bilgisayardan 10 kat hızlı çalıştı, ama daha sonra 100 kat yavaş çalışmaya başladı. Bunun iki nedeni var: Optimizasyon problemi ve kuantum bilgisayarların bazı işlemlerde klasik bilgisayarlardan farklı yöntemler kullanması. Geordie Rose’un dediği gibi kuantum bilgisayarlar büyük saldırı altında ve bilim dünyasından haklı veya haksız çok sayıda eleştiri alıyor. Bunun en büyük nedeni ise, henüz evimizdeki bilgisayar gibi düzgün çalışan bir kuantum bilgisayar üretememiş olmamız. Bugün Google’ın veri merkezlerini ve gelişmiş arama motorunu kuantum bilgisayarlar çalıştırmıyor. Dolayısıyla insanlar bu teknolojiye pek güvenmiyor. http://khosann.com/kuantum-bilgisayar-klasik-bilgisayara-karsi-d-wavein-kuantum-bilgisayari-ne-kadar-hizli-ve-ne-kadar-akilli/ 15/15
