Kuantum bilişimini anlama

Kuantum bilişimi gezegenimizin çevre, tarım, sağlık, enerji, iklim, malzeme bilimi ve daha henüz karşılaşmadığımız alanlardaki en zorlu sorunlarından bazılarını çözme umudu verir. Bu sorunlardan bazıları için sistemin boyutu arttıkça klasik bilgi işlem giderek daha zor hale geldi.

Kuantum bilgisayarlar hesaplama yapmak için kuantum fiziğinin özelliklerinden yararlanan, denetlenebilir kuantum mekaniği cihazlarıdır. Bazı bilgi işlem görevlerinde, kuantum bilgi işlemi üstel hızlanmalar sunar. Bu hızlanmalar, kuantum mekaniğinin üç olgusuyla mümkün hale gelir: süper pozisyon, girişim ve dolanıklık.

Bitler, klasik bilgi işlemde bilgilerin temel nesnesi olduğu gibi, kubitler de kuantum bilgi işlemde temel nesnedir. Bir bit veya ikili basamak 0 veya 1 değerine sahip olabilir ancak kubitin 0, 1 veya 0 ile 1 kuantum süper konumlandırması olan bir değeri olabilir.

Klasik bilgisayarlar ve kuantum bilgisayarları arasındaki temel farklardan biri, kuantum bilgisayarlardaki programların yapıları gereği olasılık tabanlı, klasik bilgisayarların ise genellikle belirlenimci olmasıdır. Kuantum algoritmalarında her olası sonuç ilişkili bir olasılık genliği içerir. Bir ölçümden sonra olası durumlardan biri belirli bir olasılıkla elde edilir. Bu olgu, bir bitin yalnızca 0 veya 1 olabileceği klasik bilgi işlemin karşıtıdır.

Kuantum bilişimin başlangıçları ve motivasyonu hakkında daha fazla bilgi için bkz. kuantum bilişimi geçmişi ve arka planı.

Kuantum bilişimi ne için kullanılabilir?

Kuantum bilgisayar, her şeyi daha hızlı yapa bir süper bilgisayar değildir. Kuantum bilişimi araştırmalarının hedeflerinden biri, kuantum bilgisayar tarafından klasik bir bilgisayardan daha hızlı çözülecek sorunları ve hızın ne kadar büyük olduğunu çalışmaktır.

Kuantum bilgisayarlar, birçok olası farklı kombinasyonun hesaplanması gereken problemlerde son derece iyi bir performansa sahip olur. Bu tür sorunlar birçok alanda bulunabilir.

Kuantum simülasyonu

Kuantum mekaniği, evrenimizin temel alınan "işletim sistemidir". Yapının temel yapı taşlarının nasıl davranacağını açıklar. Kimyasal tepkiler, kimyasal tepkiler ve malzeme oluşumları gibi doğa davranışları genellikle çok gövdeli kuantum etkileşimleri içerir. Kuantum bilişimi, kuantum bilişimi gibi kuantum mekaniği sistemlerinin içsel olarak simülasyonudur çünkü kubitler söz konusu doğal durumları temsil etmek için kullanılabilir.

Kuantum şifrelemesi

Şifreleme, belirli bir görevi çözmenin hesaplama zorluğu gibi fiziksel veya matematiksel bir yöntem kullanarak gizli bilgileri elde etmek için kullanılan tekniktir. Klasik şifreleme, tamsayıyı çarpanlara ayırma veya ayrık logaritmalar gibi, kuantum bilgisayarlar kullanılarak çok daha verimli bir şekilde çözülebilecek birçok sorunun zorluk derecesine dayanır.

1994'te Peter Shor ölçeklenebilir bir kuantum bilgisayarın güvenli veri iletimi için e-ticarette yaygın olarak kullanılan Rivest–Shamir–Adleman (RSA) şeması gibi klasik şifreleme düzenlerini bozanın mümkün olduğunu gösterdi. Bu düzen, klasik algoritmaları kullanarak asal sayıları çarpanlarına katserlamanın pratik zorluğuna dayalıdır.

Kuantum şifrelemesi, karmaşıklık varsayımları yerine temel fizikten faydalanarak bilgi güvenliği sağlar. Ölçeklenebilir bir kuantum bilgisayar henüz kullanılabilir olduğundan RSA bugün güvenlidir. Ancak, kuantum bilgisayarlar büyük ölçekli olarak lendikten sonra polinom zamanı kuantum algoritmaları bu şifreleme sistemleri için temel alınan matematik sorunlarına saldırır.

Yeterince büyük ve hataya karşı karşı iyi bir kuantum bilgisayar beklentisiyle, etkin araştırma şu şekilde devam etmektedir:

• Kuantum sonrası bir ortamda verilen bit uzunluğuna sahip şifreleme sistemleri için güvenlik tahmini.
• Geçerli şifreleme sistemlerine geçişin ne kadar sürecesi olduğunu tahmin etmek.

Arama algoritmaları

1996’da Lov Grover, yapılandırılmamış veri aramalarına yönelik çözümü önemli ölçüde hızlandırarak, aramaları klasik algoritmaların tümünden daha az adımda çalıştıran bir kuantum algoritması geliştirmiştir.

Arama problemi tasarımı gereği genel bir problemdir. Aslında, belirli bir değerin $x$ değerinin geçerli bir çözüm olup olmadığını ("evet veya sorun yok") denetlemeye olanak sağlayan tüm problemler arama problemi açısından formüle olabilir. Aşağıda bazı örnekler verilmiştir:

• Boolean sağlanabilirlik problemi: Boolean değerlerinden oluşan bir küme olan $x$ değeri verilen Boolean formülünü sağlayan bir yorumlama (değişkenlere değer atanması) mıdır?
• Gezici satış temsilcisi problemi: $x$ değeri tüm şehirleri birbirine bağlayan mümkün olan en kısa döngüyü tanımlıyor mu?
• Veritabanı arama problemi: Veritabanı tablosu $x$ kaydını içeriyor mu?
• Tamsayıyı çarpanlarına ayırma problemi: $N$ sabit sayısı $x$ sayısına bölünebilir mi?

Bu problemlerden bazıları, Grover algoritması kullanıldığında diğer problemlere kıyasla daha iyi sonuçlar verebilir. Daha fazla bilgi için Grover arama algoritması teorisine bakın. Grover algoritmasının matematiksel sorunları çözmeye yönelik pratik bir uygulaması için Grover arama algoritmasını uygulamaya yönelik bu öğreticiyi bulabilirsiniz.

Kuantum makine öğrenimi

Klasik bilgisayarlardaki makine öğrenimi, bilim ve iş dünyasında devrim yapıyor. Bununla birlikte modelleri eğitmenin getirdiği yüksek hesaplama maliyeti, bu alanın geliştirilmesini ve kapsamını kısıtlıyor. Kuantum makine öğrenimi alanı, klasik bilgisayarlardan daha hızlı çalışan makine öğrenimi sağlayan kuantum yazılımı geliştirmeyi ve uygulamayı keşfeder.

Microsoft Quantum Development Kit (QDK), hibrit kuantum/klasik makine öğrenmesi denemeleri çalıştırma olanağı veren kuantum makine öğrenmesi kitaplığıyla birlikte gelir. Kitaplık, örnekler ve öğreticiler içerir, denetimli sınıflandırma sorunlarını çözmek üzere yeni bir hibrit kuantum-klasik algoritması olan devre merkezli kuantum sınıflandırıcısını uygulamak için gerekli olan araçları sağlar.

Kuantum bilişimi sorunları nasıl çözer?

Bazı bilgi işlem görevlerinde, kuantum bilgi işlemi üstel hızlanmalar sunar. Bu hızlanmalar, kuantum mekaniğinin üç olgusuyla mümkün hale gelir: süper pozisyon, girişim ve dolanıklık.

Süperpozisyon

Oturma odanızda egzersiz yaptığınızı düşünün. Tamamen solunuza ve ardından tamamen sağınıza dönün. Şimdi aynı anda hem solunuza hem de sağınıza dönün. Bunu yapamazsınız (en azından kendinizi ikiye bölmeden). Elbette aynı anda bu iki durumda bulunamazsınız, yani aynı anda hem sola hem de sağa bakamazsınız.

Ancak bir kuantum parçacığıysanız, belirli bir sola bakma olasılığınız VE belirli bir sağa bakma olasılığınız vardır. Bunun nedeni süper konum (uyumluluk olarak da bilinir) olarak bilinen bir olaydır.

Elektron gibi bir kuantum parçacığının kendi "sola bakma veya sağa bakma" özellikleri vardır. Örneğin, yukarı veya aşağı olarak adlandırılan spin veya klasik ikili bilişime daha yakın hale getirmek için 1 veya 0 diyelim. Bir kuantum parçacığı süper konum durumunda olduğunda, 1 ile 0 arasındaki sonsuz sayıda durumun doğrusal bir bileşimi olur, ancak gerçekten bakana kadar hangisi olacağını bilemezsiniz. Bu da kuantum ölçümü adlı bir sonraki olayımızı beraberinde getiriyor.

Dolaşıklık

Kuantum mekaniğinin en ilginç olaylarından biri, iki veya daha fazla kuantum parçacığının birbirine dolanık hale dönüşebilme becerisidir. Parçacıklar dolaşık hale geldiğinde, herhangi bir parçacığın kuantum durumunun diğer parçacıkların kuantum durumundan bağımsız olarak açıklanamayacağı tek bir sistem oluşturur. Bu, bir parçacığa uyguladığınız her türlü işlemin diğer parçacıklarla da bağıntılı olduğu anlamına gelir.

Bu bağımlılıklara ek olarak, parçacıklar inanılmaz büyük mesafeler arasında ayrılsa bile bu bağlantıyı sürdürebilirsiniz. Kuantum ölçümünün etkileri dolaşık parçacıklar için de geçerli olur. Bu parçacıklardan biri ölçülüp çöktüğünde diğer parçacık da çöker. Dolaşık kubitler arasında bir bağıntı olduğundan, bir kubitin durumunu ölçmek diğer kubitin durumu hakkında bilgi sağlar. Bu özellik, kuantum bilişiminde çok faydalıdır.

Daha fazla bilgi edinmek için ile kuantum dolanıklığı Q# keşfetme öğreticisi'ne bakın.

Kubitler ve olasılık

Klasik bilgisayarlar bilgileri, 1 veya 0 durumlarından birine sahip olabilen ancak asla ikisine birden sahip olamayan bitlerde depolayıp işler. Bunun kuantum bilişimindeki eşdeğeri, kuantum parçacığının durumunu temsil eden kubittir. Süper konum nedeniyle, kubitler 1, 0 ya da bunların arasındaki herhangi bir değer olabilir. Bir kubit, yapılandırmasına bağlı olarak, 1 veya 0 değerine çökmeye yönelik belirli bir olasılığa sahiptir. Kubitin iki durumdan birine çökme olasılığı, kuantum girişimi ile belirlenir.

Resminizi çeken arkadaşınızı hatırladınız mı? Kamerasında girişim filtreleri olarak adlandırılan özel filtreler olduğunu varsayalım. 70/30 filtresini seçer ve resim çekmeye başlarsa, resimlerin %70’inde sola baktığınız, %30’unda ise sağa baktığınız görülür. Filtre, davranış olasılığını etkilemek için kameranın normal durumuna girişimde bulunmuştur.

Benzer şekilde kuantum girişimi, ölçüm sırasında belirli bir sonucun olasılığını etkilemek için bir kubitin durumunu etkiler ve bu olasılık durumu, kuantum bilişimi gücünün üstün olduğu yerdir.

Örneğin, klasik bir bilgisayardaki her bit, 1 veya 0 depolayabilir, böylece iki bit ile dört olası değer (00, 01, 10 ve 11) depolayabilirsiniz, ancak bunu tek seferde biri olacak şekilde yapabilirsiniz. Ancak süper konumda iki kubit olduğunda, her kubit 1 veya 0 ya da her ikisi de olabilir, yani aynı anda bu dört değeri temsil edebilirsiniz. Üç kubitle sekiz değeri temsil edebilir, dört kubitle 16 değeri temsil edebilir ve bu şekilde devam edebilirsiniz.

Kuantum bilgisayarlar ile kuantum simülatörleri karşılaştırması

Kuantum bilgisayar, klasik ve kuantum bilişimin gücünü birleştiren bir makinedir. Geçerli kuantum bilgisayarlar ve karma modele karşılık geliyor: kuantum işlemcisini kontrol eden klasik bir bilgisayar.

Kuantum bilgisayarların geliştirilmesi hala geliştirme aşamasındadır. Kuantum donanımı ve bakımları pahalıdır ve sistemlerin çoğu üniversitelerde ve araştırma laboratuvarlarında bulunur. Klasik bilgisayarlarda alışıldık silikon tabanlı çipler kullanılırken, kuantum bilgisayarlarda atom, iyon, foton veya elektron gibi kuantum sistemleri kullanılır. Kuantum bilgisayarlarda, 1 ve 0 değerine sahip farklı kuantum süper pozisyonlarında hazırlanabilecek bitleri göstermek için kuantum özellikleri kullanılır. Ancak teknoloji gelişmektedir ve bazı sistemlere yönelik sınırlı genel erişim sunulmaktadır.

Kuantum donanımı

Kuantum bilgisayarın üç temel parçası vardır: kubitleri bulunduran bir cihaz, kubitlere kuantum işlemleri gerçekleştirmeye yönelik bir yöntem (kuantum geçitleri olarak da bilinir) ve bunları ölçen bir cihaz ve bir programı çalıştıracak ve yönergeler gönderecek klasik bir bilgisayar. Kuantum bilgisayar oluşturmak için seçilen kubit türü, bunların uygulanmasını belirler.

• Kubitler için kullanılan kuantum malzemeleri kırılgandır ve çevresel müdahalelere karşı oldukça duyarlıdır. Örneğin süper iletken kubitler için kubitleri tutan birim, tutarlılığı en üst düzeye çıkarmak için mutlak sıfırın hemen üzerinde bir sıcaklıkta tutulur. Diğer kubit barındırma türlerinde, titreşimleri en aza indirmeye ve kubitleri kararlı hale getirmeye yardımcı olmak için bir vakum haznesi kullanılır.
• İşlemler veya kuantum geçitleri kubit türüne bağlı olarak yemek, lazer ve voltaj gibi çeşitli yöntemler kullanılarak yapılabilir.

Kuantum bilgisayarlar, doğru bir şekilde çalışmak üzere çok sayıda zorlukla karşılaşır. Kuantum bilgisayarlarda hata düzeltmesi önemli bir sorundur ve ölçeği artırmak (daha fazla kubit eklemek) hata oranını artırır. Bu sınırlamalar nedeniyle, bir kuantum bilgisayarın masaüstünüze gelmesi ancak uzak bir gelecekte mümkün olsa da, ticari olarak uygun laboratuvar tabanlı bir kuantum bilgisayarın kullanıma sunulması daha yakındır.

Microsoft topolojik kubitlere dayalı bir kuantum bilgisayar geliştirmektedir. Topolojik kubit, ortamındaki değişikliklerden daha az etkilenene ve bu nedenle gereken dış hata düzeltme derecesini azaltmaktadır. Topolojik kubitler daha yüksek kararlılık ve ortam gürültüsüne daha fazla dayanıklılık gösterir; diğer bir deyişle daha uzun süre ölçeklenebilir ve güvenilirliği sürdürebilir.

Kuantum simülatörleri

Şu an için, kaynaklar ve bütçe nedeniyle gerçek kuantum donanımının kullanımı sınırlıdır. Bu arada, kuantum simülatörleri kuantum algoritmalarını çalıştırma amacına hizmet verir, bir algoritmayı test etme ve hata ayıklamayı kolaylaştırır ve ardından sonucun beklentilere uygun olduğunu güvenle gerçek donanımda çalıştırmayı kolaylaştırır.

Kuantum simülatörleri, klasik bilgisayarlarda çalıştırarak kubitlerin farklı işlemlere nasıl tepki vereceğini tahmin etmek için kuantum programlarını çalıştırmayı ve test etmenin mümkün olduğu yazılım programlarıdır. Microsoft'un Quantum Geliştirme Seti (QDK), aynı kuantum algoritmasının benzetimini farklı yolları temsil eden farklı kuantum simülatör sınıflarını içerir. Ayrıca gürültü varlığı altında kuantum algoritmalarının benzetimini oluşturmak için bir gürültü simülatörü ve bir kaynak tahminaracı içerir.

Daha fazla bilgi için bkz. Kuantum Simülatörleri.

Kuantum bilişimi süreci

Kuantum bilgisayarda veya kuantum simülatöründe hesaplamalar gerçekleştirmek temel bir işlemi izler:

• Kubitlere erişme
• Kubitleri istenen durumda başlatma
• Kubitlerin durumlarını dönüştürecek işlemleri gerçekleştirme
• Kubitlerin yeni durumlarını ölçme

Kubitleri başlatma ve dönüştürme işlemleri kuantum işlemleri (kuantum geçitleri olarak da bilinir) kullanılarak yapılır. Kuantum işlemleri, klasik bilişimdeki AND, OR, NOT ve XOR gibi mantıksal işlemlere benzer. Bir işlem, kubitin durumunu 1’den 0’a çevirmek veya bir kubit çiftini dolaşık hale getirmek gibi temel eylemlerden, süper konumlu bir kubitin iki değerden birine çökmesi olasılığını etkilemek için seri halindeki birden çok işlemi kullanmaya kadar farklılık gösterebilir.

Hesaplama sonucunu ölçmek bize bir yanıt verir ancak bazı kuantum algoritmaları için her zaman doğru yanıtı vermez. Bazı kuantum algoritmalarının sonucu, kuantum işlemleri tarafından yapılandırılan olasılığa bağlı olduğundan bu hesaplamalar, bir olasılık dağılımı almak ve sonuçların doğruluğunu iyileştirmek için birden çok kez çalıştırılır. Bir işlemin doğru bir yanıt döndürmüş olma güvencesi, kuantum doğrulama olarak bilinir ve bu, kuantum bilişimde önemli bir zorluk olarak ortaya çıkar.

Azure Quantum bilgi işlem donanım iş ortakları

Microsoft, geliştiricilere kuantum donanımına bulut erişimi sağlamak amacıyla kuantum donanımı şirketleriyle iş ortaklığı kuruyor. Geliştiriciler Azure Quantum platformu ve Q# dilinden yararlanarak, kuantum algoritmalarını keşfedebilir ve kendi kuantum programlarını farklı türlerdeki kuantum donanımlarında çalıştırabilir.

• Honeywell Quantum Solutions:Yüksek uygunluk, tam olarak bağlı kubitler ve devre ortası ölçümlerini gerçekleştirme yeteneğine sahip olan bir kapalı ion sistemi.
• IONQ:Herhangi bir çift arasında iki kubitli bir kapı çalıştırmaya olanak sağlayan, 11'e kadar tam bağlantılı kubit için dinamik olarak yeniden yalıtılabilir bir kapatılabilir kuantum bilgisayar.
• Quantum Circuits, Inc:Hata düzeltmeyi etkinleştirmek için güçlü gerçek zamanlı geri bildirime sahip hızlı ve yüksek uygunlukta süper iletken devreler.

Daha fazla bilgi için tam Kuantum bilgi işlem hedef listesine bakın.

Sonraki Adımlar

• Kuantum Bilgi İşlem Geçmişi ve Arka Planı
• Programlama dili Q# ve Quantum Development Kit (QDK) nedir?
• Kümeyi Azure Quantum
• Azure Quantum'de kuantum tabanlı rastgele sayı oluşturucu oluşturma
• Kuantum Simülatörleri
• Q#Kitaplıklar