Kuantum Bilgisayarlarının Çalışma Prensibi

Kuantum bilgisayarlarının çalışma prensibini kavrayabilmek için önce klasik bilgisayarların nasıl çalıştığını anlamamız gerekmektedir. Bilgisayarların da insanlar gibi bir konuşma dili vardır. Bu dil “bit” dediğimiz 0 ve ya 1 değerini alan birimlerinin birleşmesiyle oluşur. Bitlerin anlamlı bir şeyi temsil edebilmesi için “byte” dediğimiz sekizerli gruplar halinde olurlar. Örneğin, “a” harfi bilgisayarda 01000001 şeklinde temsil edilir. Peki, bilgisayarlar nasıl somut olarak bitleri temsil ediliyor?

Bilgisayarların Bitleri Temsil Etmesi

Bilgisayarlar, bitleri “transistör” dediğimiz elektronik devre elemanı sayesinde temsil edebiliyor.

Transistörler üç bölümden oluşur: baz (base), kolektör (collector) ve emitör (emitter). Transistörlerin NPN ve PNP diye iki farklı çalışma prensibi vardır.

-NPN’de baz terminaline pozitif (bazdan emitöre doğru) bir akım uygulandığı zaman emitör ve kolektör arasındaki akım geçişine izin verilir ve transistör “AÇIK”  yani 1durumuna gelir. 

-PNP’de ise bu durum tam tersidir. Baz terminaline negatif (emitörden baza doğru) bir akım uygulandnığı zaman emitör ve kolektör arasındaki akım geçişine izin verilir.

-Her iki prensipte de bazdan yeterli akım geçmezse transistör “KAPALI” yani 0 durumuna gelir.

Sonuç olarak, bilgisayarlarda onluk sayı sistemi yerine ikilik sayı sistemi (binary) kullanmamızın nedeni transistörlerin çalışma prensibidir. Peki, kuantum bilgisayarları nasıl verileri somut olarak temsil ediyor?

Kuantum Bilgisayarlarının Verileri Temsil Etme Biçimi

Kuantum bilgisayarları, bit yerine qubit (kuantum biti) denilen birimleri kullanmaktadır. Kuantum mekaniği ilkelerine uyan, iki seviyeli herhangi bir sistemin kübit olarak kullanılması mümkündür. Örneğin elektronların spinleri, iki seviyeli sistemlerin bir örneğidir. 

Bir elektronun belirli bir yöndeki spinini belirlemek için bir ölçüm yapıldığını düşünelim. Sonuç olarak spinin ya ölçüm yapılan yönle aynı yönde olduğu ya da ters yönde olduğu bulunur. Bu iki ihtimal klasik bilgisayarlardaki bitlerin alabileceği iki değere (0 ve 1) karşılık gelir. Ancak bir elektronun belirli bir andaki spini sadece bu iki yönde değil başka herhangi bir yönde de olabilir. Dolayısıyla bir elektronun spini sadece 0 ve 1 durumlarını kodlamak için değil bu durumların herhangi bir lineer kombinasyonunu kodlamak için de kullanılabilir.

Süperpozisyon (Superposition)

Lineer kombinasyonların oluşma nedeni de kuantum mekaniğinde “Süperpozisyon” olayından kaynaklanmaktadır. Süperpozisyon, fermiyon (elektron vb.) ve bozon (foton vb.) parçacıklarının belirli bir konumda olmaması yani pozisyonunun öngörülemez olmasıdır. Parçacıklar gözlemlenene veya dışarıdan bir etki olana kadar süperpozisyonu koruma eğilimindedir. Meşhur Schrödinger’in Kedisi de bu olayı açıklamak için kullanılan bir metafordur.

Kuantum Dolaşıklığı (Quantum Entanglement)

Qubitleri temsil eden parçacıkların bazılarının birbirlerine uzaklığı fark etmeksizin birbirlerine eş zamanlı olması durumudur. Bu durum n tane birbirine bağlı qubitin  2ⁿ farklı gösterimin olmasının sağlamaktadır.

Kuantum Bilgisayarlarının Düzgün Çalışabilmesi için Gerekli Olan Özellikler

• İyi tanımlanmış kübitlere sahip olması,
• Arzu edilen durumdaki (örneğin |0> ya da |1> durumundaki) bir kübitin büyük bir doğrulukla hazırlanabilmesi,
• Kübitlerde kodlanmış bilginin görece uzun bir süre boyunca kaybolmamasının sağlanabilmesi,
• Kübitler üzerinde büyük bir doğrulukla işlem yapılabilmesi,
• Belirli işlemleri klasik bilgisayarlardan daha hızlı yapabilecek kadar çok kübite sahip olması.

Bugüne kadar geliştirilmiş kuantum bilgisayarların hiçbiri bu kriterlerin tamamını sağlamıyor. Bunun nedeni, kübitlerin dış etkenlere çok hassas ve gözlemlendiğinde gösterdiği değeri bozabilmesinden kaynaklanmaktadır.

Kaynakçalar:

What’s a Transistor? – https://builtin.com/hardware/transistor

Kübit Türleri – https://bilimgenc.tubitak.gov.tr/makale/kubit-turleri

How Does A Quantum Computer Work- https://www.scientificamerican.com/video/how-does-a-quantum-computer-work/

Superposition Principle – https://en.wikipedia.org/wiki/Superposition_principle