2017 yılında, Çinli bilim insanı Juan Yin ve ekibi benzersiz bir deney gerçekleştirmişler. Kuantum teknolojisini kullanarak, bir uydu üzerinde iki fotonu ilişkilendirmişler ve onları daha sonra binlerce km uzaklıkta dünyada farklı lokasyonlara göndermişler.

Deneyde bu kadar uzak mesafe boyunca bile, iki foton bağlantılarını sürdürmüş ve fotonun biri gözlemlendiğinde, diğeri sanki parçacıklar sihirli bir şekilde iletişim kuruyormuş gibi özelliklerini hemen değiştirmiş. Bilimsel tabirle, kuantum fiziğinde işte bu iki foton, dolanıktır.

Kuantum mekaniğinin tuhaf dünyasına hoş geldiniz, orada olağan fizik yasaları artık geçerli değildir. 20. yüzyılın başlarında Albert Einstein, dolanıklığı "uzaktan ürkütücü bir hareket" olarak reddetmişti, ancak şu anda dünya çapında bir çok laboratuvarlarda bu dolanıklık olgusu artık gözlemleniyor. Kuantum teorisi, günlük yaşamlarımız bağlamında ne kadar mantıksız görünse de, evrenin iç işleyişini temsil etmede oldukça güçlü verilere sahiptir.

Kuantum çağına girmek

Bilim adamları, kuantum fiziğinin sonuçlarını tam olarak kavramadan önce, bilgi çağını başlatan lazerler ve yarı iletkenler gibi teknolojileri tasarlamak için kuantum ilkelerini kullandılar. Günümüzde, kuantum dünyasının tuhaf özelliklerinden doğrudan yararlanılarak yeni imkanlar ortaya çıkmakta.

Kuantum teknolojilerini kullanan makineler, mevcut siber güvenlik sistemlerine ciddi bir tehdit oluştururken, finans da dahil olmak üzere hızlı işlem gücüne dayanan herhangi bir sektörde teorik olarak devrim yaratacaklardır. Kuantum algoritmaları, kimyasal süreçleri benzeri görülmemiş bir doğrulukla modelleme potansiyeline sahip olup ayrıca tıbbi ilaçlar ve biyoteknolojide de yeni keşifler sağlayacaktır.

Teknolojinin etkinliği konusunda ön çalışmalarda pek çok belirsizlik bulunmaktadır. Bu nedenle, kuantum uygulamalarının pratik bir araç haline gelmesinden önce büyük teknik zorluklar ele alınmalıdır. Ancak uzmanlar, bu engellerin aşılması durumunda tıbbi tedavi yöntemlerini iyileştirmek, enerji ve finansal şebekelerini optimize etmek ve hatta iklim değişikliği gibi küresel sorunların üstesinden gelmek için kuantum yöntemlerinin kullanılabileceğini savunuyorlar.

Niels Bohr Enstitüsü, Kopenhag Üniversitesi ve Novo Nordisk Vakfı'nda kıdemli başkan yardımcısı olan fizik profesörü Lene Oddershede, "bir kez sahip olduğumuzda - çevremizdeki dünyanın ayrıntılarını daha iyi anlamamızı, daha iyi ilaçlar yapmamızı, toplumu iyileştirmemizi sağlamak için kuantum simülasyonunda muazzam bir kullanım potansiyeli var" diyor.

Kuantum hesaplamanın nasıl çalıştığını anlamak için kuantum fiziğinin en ürkütücü yönlerinden birine kafa yormanız gerekir: Gerçekliğin gözlemlenip gözlemlenmediğine bağlı olarak farklı davranma kavramı.

Meşhur Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger bu kavramı bir çoğumuzun bildiği ünlü bir düşünce deneyi ile örneklendirmiştir. Bir kedinin, 50:50 oranında bir kuantum fenomeninin meydana gelme şansının olduğu ve böylece zehir salınımını tetiklediği bir kutuda tutulduğunu hayal edin. Mesele, kutuyu açana kadar kedinin canlı mı ölü mü olduğunu bilmememiz değil; kuantum mekaniğinin kurallarına göre, bir kez gözlemlendiğinde iki olasılıktan birine karar verene kadar kedi kutu içinde aynı anda hem canlı hem de ölüdür.

Kuantum mekaniğinin temel ifadelerinden biri, bir ölçüm yapmadan önce bir sistemin durumunu bilememizdir. Burada, kutu açılıncaya kadar kedi, ölü ve diri olmak üzere iki farklı durumun süperpozisyonundadır. Ölçüm yapmadan önce durumu bilemezsiniz ve ölçüm yaptığınızda ancak kedinin ölü mü diri mi olduğunu tespit etmiş olursunuz.

Tabii ki kedi ile ilgili böyle bir deney yapılmadı ancak süperpozisyon olayı ışık parçacıklarının ölçülünceye kadar farklı davrandıkları, laboratuvarlarda mikro ölçekte kaydedilmiştir.

Bilim adamları ve filozoflar, bu etkinin klasik fizik yasalarıyla nasıl örtüştüğünü açıklamakta zorlanıyorlar. Bir görüşe göre, evrendeki her şeyin gizli bir gölgesi, sayıların toplandığı gözlemlenemeyen bir gerçeklik katmanı vardır. Diğer uzmanlar, aynı anda birçok paralel evrende yaşadığımızı öne sürmekteler.

Şüphesiz burada ana konumuz kuantum fiziğini anlatmak değil, yeni bir bilgisayar türü oluşturmak için kuantum süperpozisyonunu nasıl kullanabileceğidir. Geleneksel bilgisayarlar, ikili bir şekilde tanımlanabilen uzun bit zincirlerinden oluşur: 1 veya 0. Bunun aksine, kuantum bitleri (kübitler), 1 ve 0 durumlarının çeşitli süperpozisyonlarında olabilir, yalnızca ölçüm yapıldığında kesin olarak birine veya diğerine çözümlenir. Bu, kuantum bilgisayarlarının aynı anda bir probleme yönelik çok sayıda potansiyel çözüm üzerinde çalışabileceği anlamına gelir.

Dahası, kübitler, Çin'deki uydu deneyindeki fotonlar gibi çiftler halinde dolanıktır. Gerçekte, kuantum durumları bağlantılıdır: bir kübit ve onun dolaşık eşi, gözlemlendiğinde her zaman aynı formu alacaktır. Süperpozisyon ve dolaşıklığın birleşik gücü sayesinde, bir kuantum bilgisayar, yalnızca gezegen boyutunda bir klasik bilgisayarın erişebileceği işlem hızlarına ulaşabilir.

Artık, klasik bilgisayarların eskiden olduğu kadar hızlı gelişmediği göz önüne alındığında bu durum daha da önemlidir. Moore Yasası (bir bilgisayar yongasındaki transistör sayısının her iki yılda iki katına çıkması), artık teknoloji firmalarının nanometre uzunluğundaki transistörleri mikroyongalara sıkıştırması zor (ve pahalı) hale geldikçe çöküyor.

Kuantum yarışı

Bununla birlikte, ofislerimizde veya evlerimizde kuantum bilgisayarları görmenin bir yolu var. Ancak önemli bir sorun, uyumsuzluktur - kübitler, çok küçük titreşimler veya sıcaklıktaki küçük kaymalar tarafından süperpozisyondan çıkarılabilir, bu da kuantum bilgisayarlarının inşa edilmesini son derece zorlaştırır.

Kuantum bilgisi çok hassastır ve bir kuantum bilgisayarı çevreden çok iyi yalıtılmalıdır. Ve ayrı kuantum devrelerinin, enterfere etmemeleri için birbirinden izole tutulması gerekir. Programlanabilir bir kuantum bilgisayarın, verilen program için doğru devreyi oluşturabilmeniz için kuantum etkileşimlerini oldukça hassas bir şekilde kontrol etmenize izin vermesi gerekir.

Bu değişken ve kararsız makineleri bir araya getirecek ve bakımını yapacak kaynaklara sahip ABD ve Çin’li teknoloji şirketleri, bazı büyük üniversitelerle birlikte öncülük ediyorlar. Alibaba, Google ve IBM gibi şirketler, çalışan kuantum bilgisayarları geliştirdiler, ancak en gelişmişleri yalnızca 50-100 kübite sahip olsa da, gerçek dünyada herhangi bir şekilde kullanılabilecek 1000'den fazla kübit makinesinin bir miktar gerisindedir (bkz. Aşağıdaki şekil).

Kuantum bilgisayarları farklı amaçlara yönelik olarak oluşturulabilirler. Daha büyük teknoloji şirketlerinin çoğu, üzerinde çalışacak bir yazılım kümesi ile birlikte, nihayetinde bir dizi farklı uygulamaları işleyebilmesi gereken, kuantum mantık kapıları temeline dayalı “evrensel” kuantum bilgisayarlar olarak bilinenleri inşa etmeyi hedefliyor. Kanadalı D-Wave firması da dahil olmak üzere diğerleri, bir dizi seçenek arasından en verimli çözümü bulmayı içeren optimizasyon sorunları için özel olarak tasarlanmış, tavlayıcılar (en iyi cozumlerini bulmak üzere geliştirilen algoritma) olarak bilinen daha özel makineler inşa ediyorlar.

Rekabet ortamında, tüm bu firmalar, kuantum bilgisayarlarının klasik bir bilgisayar için imkânsız olan bir işi tamamlayabileceğinin kanıtı olarak bilinen “kuantum avantajını” (quantum supremacy) elde etmek için yarışıyorlar. Örneğin 2019'da Google, 53 kübitlik makinesiyle çok karmaşık bir hesaplamada kuantum üstünlüğüne ulaştığını ilan etti. Bundan sonraki adımlarda dünyada bir çok firma arasında bu konuda ciddi bir yarış ve tartışma başladı.

Bu tartışmalara rağmen, teknoloji şirketleri kuantum bilgisayarlarını hızlı bir şekilde iyileştirmeyi hedeflemişlerdir. Google yakın zamanda kuantum bilgisayarının kimyasal reaksiyonları simüle etmek için kullanılabileceğini gösterdi, IBM ise 2023 yılına kadar 1000 kübitlik bir makine yapacağını söyledi; her iki şirket de on yılın sonunda bir milyon kübitlik bir makinenin mümkün olduğuna inanıyor.

Bu zaman çizelgesinin gerçekçi olup ya da olmaması yanı sıra, kuantum bilgisayarlarını tam ölçekte çalıştırmada hala önemli zorluklar bulunsa da, bu yeni makinalar muhtemelen klasik bilgisayarların baş edemeyeceği belirli problemler için kullanılacaklardır. Bununla birlikte, kuantumda gerçekleştirilecek atılımlar, çok çeşitli sektörler için önemli etkilere de sahip olacaktır.

Kuantumun finans sektöründe kullanımı

Finans, kuantumun yarar sağlayacağı en iyi alanlardan biri olabilir. Piyasalar gerçekten, kuantum bilgisayarların klasik eşdeğerlerinden daha doğru bir şekilde modelleyebilmesi gereken karmaşık, öngörülemeyen bir özelliğe sahiptir. Bu nedenle bir çok firma kuantum bilgisayarlarının tam kapasite ile çalışacağı günlerin gelmesini pek beklemiyor bu çalışmaları yürütmek için.

Halen büyük finans kurumları, bulut üzerinden erişilebilir yazılım kullanarak sağlanan, hataya açık (veya "gürültülü") kuantum makineleri ile kuantum algoritmalarını denemek için teknoloji firmalarıyla birlikte çalışıyor. Willis Towers Watson (İngiliz çok uluslu bir risk yönetimi, sigorta komisyonculuğu ve danışmanlık şirketidir), Microsoft ile kuantum destekli yeni risk yönetimi protokolleri üzerinde çalışıyor, JPMorgan ise iki farklı kuantum teknolojisinden yararlanmak için hem IBM hem de Honeywell ile ortaklıklar kuruyor.

Bu yöntemleri bir sıçrama tahtası olarak değerlendiren uzmanlar, çeşitli finansal görevler için kuantum araçlarının kullanılabileceğini belirlediler. Kuantum bilgisayarları, örneğin, yüksek riskli yatırım fonları için kullanılan makine öğrenimi algoritmalarını hızlandırabilir ve daha hızlı, daha verimli ticaret stratejileri için zemin hazırlayabilir. İspanya'dan Caixa Bank, kuantum hesaplama ve geleneksel hesaplamayı hesaplama sürecinin farklı aşamalarında birleştiren hibrit bir klasik kuantum hesaplama modelinin, müşterileri risk profillerine göre hassas bir şekilde segmentlere ayırmak için kullanılabileceğini kanıtladığını söylüyor.

Kuantum ile saldırı ve savunma

Günümüzde devlet sırlarına ve finansal istikrara yönelik tehdit göz önüne alındığında, hükümetlerin kuantum siber güvenliğe özel bir odaklanma ile kuantum bilişim teknolojisine yoğun bir şekilde yatırım yapması şaşırtıcı değildir. Örneğin Çin, halen Hebei eyaletinde ticari kuantum uygulamaları için patentlere öncülük eden bir kuantum araştırma enstitüsüne 1 milyar dolardan fazla yatırım yapmış. Bu arada ABD ise, 2018'de Kongre tarafından kabul edilen Ulusal Kuantum Girişimi Yasası'nın bir parçası olarak kuantum teknolojisine 1,2 milyar dolar harcamış.

Devlet destekli başka bir araştırma konusu da, kuantum bilgisayar korsanlarına karşı dirençli olacak kripto sistemleri tasarlama girişimine odaklanıyor. ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) şu anda en etkili kuantum sonrası şifreleme sistemini bulmak için uluslararası bir yarışma yürütüyor ve bunun sonucunda 2022 yılında yeni standartları belirlemeyi umuyor.

Kuantum iletişiminin çalışması için tam ölçekli kuantum bilgisayarlara gerek yoktur, ve fiber optik kablolar kullanıldığında mesafe sınırlamaları olmasına rağmen bu konuda teknoloji halihazırda mevcuttur. Çin'in Micius uydusu buna uygun bir çözüm örneği olarak verilebilir- bilim adamları onu kuantum anahtarlarını iletmek için kullandılar ve Pekin ile Viyana arasında kuantum şifreli bir video görüşmesi bile gerçekleştirdiler.

Kuantum teknolojisi, güvenliği kuantum fiziği tarafından garanti edilen tamamen yeni para birimlerinin olasılığını keşfetmek için bile kullanılıyor. Cambridge Üniversitesinde Uygulamalı Matematik ve Teorik Fizik Bölümü'nden araştırma yazarı olan Prof. Adrian Kent, hem güvenli hem de potansiyel olarak mevcuttan çok daha hızlı ve daha esnek olan “S-para” olarak bilinen teorik bir çerçeve üzerinde çalışıyormuş.

Veri yönetimi, ilaç keşfi ve sistem optimizasyonu

Daha sofistike kuantum bilgisayarları üretildikçe, seyreltme buzdolapları, fotonik sistemler, vakum teknolojisi ve diğer ileri teknolojik aygıtların üreticilerine olan talep önümüzdeki 10 yıl içinde büyük bir olasılıkla daha da artacaktır. Honeywell, Oxford Instruments ve Keysight Technologies, kuantum bilgisayar bileşenleri konusunda uzmanlaşmış şirketler arasındadır.

Uzun vadede, kuantum bilişimin ortaya çıkışı, onları analiz eden ve anlamlandıran makine öğrenimi algoritmalarını hızlandırarak büyük veri kümelerinin değerini artıracaktır. Bu durum, verileri yönetmekte uzman olan ve onlara donanım sağlayan şirketlere büyük faydalar sağlayacaktır.

Kuantum bilişim hem mevcut geçmiş veri kümeleri hem de veri toplama altyapısını daha kullanışlı hale getiren başka bir araç setidir. Verilerinize bakarak daha iyi, daha kesin, daha hızlı yanıtlar alacağınızı biliyorsanız, geçmiş verilere daha fazla değer verirsiniz. Bu, mevcut güçlü veri kümelerine sahip veri açısından zengin şirketlere büyük faydalar sağlar.

Kuantum yöntemlerinin, ilaç endüstrisinde de uygulama bulacağı, maliyetleri düşüreceği ve yeni tedavilerin etkinliğini arttıracağı tahmin edilmektedir. Çünkü kuantum mekaniği, doğanın işleyişiyle uyumlu olduğundan, kuantum sistemleri, etkilerini simüle etmek için klasik sistemlerden çok daha iyi donanımlıdır ve bu nedenle de özellikle ilaç keşfinde büyük bir öneme sahip olacaktır.

Örneğin aşağıdaki şekilde görüleceği gibi, az sayıda kübite sahip kuantum bilgisayarları, penisilin gibi molekülleri kopyalayabilir ve etkileşimlerini simüle edebilir; aynı şeyi yapmak için klasik bir bilgisayar, bilinen evrendeki atomlardan daha fazla bit'e ihtiyaç duyar.

Source: Cambridge Quantum Computing

Kuantum araçları, pillerde bulunan elektrokimyasal malzemeleri modellemek için de kullanılıyormuş. Bu bağlamda otomobil üreticisi Volkswagen, pil üretiminde kullanılan bazı temel molekülleri Google ve D-Wave tarafından sunulan mevcut kuantum bilgisayarlarda simüle edebilen algoritmalar geliştirerek, çok daha yüksek performans gösteren pillerin (ve daha yüksek performanslı elektrikli araçların) olasılığı üzerinde çalışıyor.

Çok farklı iş alanlarında kuantum bilişimin kullanılacağı binlerce olasılık bulunmakta. Pil konusundaki çalışmalarda olduğu gibi, VW ayrıca D-Wave’in tavlama teknolojisi ile bir trafik optimizasyon projesi üzerinde de çalışıyor. İki şirket, Pekin'deki araçlardan gelen verileri toplayarak, havalimanı ile şehir merkezi arasındaki yolculuk sürelerini kısaltmayı başardı. VW bu denenmiş uygulamayı, otobüs sürücülerine onların gerçek zamanda seyahatlarını kısaltmak için kullanabildikleri veriler sağlayarak, Lizbon’da trafik sıkışıklığını iyileştirecek bir pilot projede kullanmıştır.

Enerji verimliliği ve iklim değişikliği

Belki daha da önemlisi, kuantum bilgisayarlarını iklim değişikliğine karşı savaşta hayati bir araç haline getirebilecek olan yinelenebilir enerji sektöründe kuantum optimizasyonu ve kimyasal modellemenin potansiyel kullanımlarıdır. Temmuz 2020'de Microsoft, atmosferden karbondioksiti uzaklaştırmak için teknoloji oluşturmak amacıyla yeni karbon sabitleme yöntemleri tasarlamak için kuantum algoritmaları kullandığını söyledi.

Büyük bir olasılıkla hükümetler ulusal enerji şebekelerinin verimliliğini artırmak için kuantum çözümlerine bakacaklar - bu tür büyük, veri yayma sistemleri kuantum bilgisayarlarınca, devasa karbon ayak izlerine sahip günümüzün süper bilgisayarlarından daha verimli bir şekilde yönetebilecek. Microsoft bu alanda da ileri adımlar attı: şirket, şehrin gerçek zamanlı tüketim ihtiyaçlarına göre enerji karışımını optimize etmek üzere kuantum algoritmaları uygulamak için Dubai Su ve Elektrik Kurumu ile birlikte çalışıyor.

Bildiğimiz gibi enerji sektörü muazzam miktarda veri üretiyor. Bir ülkenin enerji şebekesini hayal edin; enerjinin nerede gerekli olduğunu ve o yere nasıl enerjinin alınacağını hesaplamak, çok büyük miktarda verinin işlenmesini gerektirir. Kuantum bilgisayarlarına sahip olduğumuzda, bu süreç çok büyük bir devrim yaratacak. Yalnızca güvenlik nedenleriyle değil aynı zamanda iklim değişikliği ve yinelenebilir enerjiyle ilgili faydalar da dikkate alındığında her ülkenin kuantum bilişim için büyük çabalar sarf etmesi gerekecektir.

Muhtemel uygulamalarının kapsamı göz önüne alındığında, günümüzdeki etkinliğine ilişkin soru işaretlerine rağmen, çeşitli sektörlerde hükümetlerin ve şirketlerin kuantum teknolojisine erken sahip olmak istemeleri şaşırtıcı değil.

Zaman göreceli bir kavramdır, kuantumla çalışan akıllı bir telefon veya masaüstü bilgisayar şu an uzak bir ihtimal olsa da, büyük kuruluşlar için siber güvenlikten sorumlu olanların, sistemlerini bir an önce kuantum korumalı hale getirmeyi düşünmeye başlamaları gerekecektir.

Evet sevgili ICT Media okuyucuları, işte hep birlikte yüksek ve geleceğin teknolojileri hakkında dünyada neler olup bittiğini görüyoruz. Ben bu tür bilgiler için mümkün olduğunca yeni ve en son gelişmelerden haber vermeye çalışıyorum ki, bu husustaki asıl amacım ülkemizde aynı ve benzeri sektörlerde yapılan ArGe çalışmaları ile dünyadaki çalışmaları mukayese etme imkanı sağlamaktır sizlere..