Kuantum bilişiminin geçmişi ve arka planıQuantum computing history and background

Son birkaç yıl içinde birkaç yeni bilgisayar teknolojisi ortaya çıktı ve kuantum bilişimi muhtemelen geliştiricilerin tarafında en büyük yaklaşım değişimini gerektiren teknoloji oldu.A host of new computer technologies has emerged within the last few years, and quantum computing is arguably the technology requiring the greatest paradigm shift on the part of developers. Kuantum bilgisayarlar 1980’li yıllarda Richard Feynman ve Yuri Manin tarafından önerilmiştir.Quantum computers were proposed in the 1980s by Richard Feynman and Yuri Manin. Kuantum bilişiminin altında yatan sezgi, genellikle fiziğin en büyük sıkıntılarından biri olarak görülen şeydir: basit sistemleri bile modelleyememe sorunuyla karşı karşıya kalan dikkat çekici bilimsel ilerleme.The intuition behind quantum computing stemmed from what was often seen as one of the greatest embarrassments of physics: remarkable scientific progress faced with an inability to model even simple systems. Bildiğiniz gibi kuantum mekaniği 1900 ile 1925 arasında geliştirildi ve kimya, yoğun madde fiziği ve bilgisayar yongalarından LED aydınlatmaya varan teknolojilerin dayandığı mihenk taşı olmaya devam ediyor.You see, quantum mechanics was developed between 1900 and 1925 and it remains the cornerstone on which chemistry, condensed matter physics, and technologies ranging from computer chips to LED lighting ultimately rests. Bu başarılara karşın, en basit sistemlerin bazıları bile insanın kuantum mekaniğiyle modelleme becerisinin ötesinde görünmektedir.Yet despite these successes, even some of the simplest systems seemed to be beyond the human ability to model with quantum mechanics. Bunun nedeni, birbiriyle etkileşimde bulunan birkaç düzine parçacığın gerektirdiği bilgi işlem gücünün, geleneksel bir bilgisayarın yüzlerce yılda sağlayabileceğinden bile fazla olmasıdır.This is because simulating systems of even a few dozen interacting particles requires more computing power than any conventional computer can provide over thousands of years!

Kuantum mekaniğinin benzetimini yapmanın neden zor olduğunu anlamanın birçok yolu vardır.There are many ways to understand why quantum mechanics is hard to simulate. Belki de en basit olanı, kuantum teorisinin kuantum düzeyinde bir maddenin eşzamanlı olarak birkaç farklı olası yapılandırma (hal olarak bilinir) halinde olduğunu söyleyen bir teori olarak yorumlanmasıdır.Perhaps the simplest is to see that quantum theory can be interpreted as saying that matter, at a quantum level, is simultaneously in a host of different possible configurations (known as states) at the same time. Klasik olasılık teorisinin aksine, kuantum halinin potansiyel olarak gözlemlenebilecek bu çok sayıdaki yapılandırması bir dalga havuzundaki dalgalar gibi birbiriyle çakışabilir.Unlike classical probability theory, these many configurations of the quantum state, which can be potentially observed, may interfere with each other like waves in a tide pool. Bu çakışma, kuantum hal yapılandırmalarını elde etmek için istatistiksel örnekleme kullanmayı engeller.This interference prevents the use of statistical sampling to obtain the quantum state configurations. Bunun yerine, kuantum evrimini anlamak istiyorsak bir kuantum sisteminin bulunması mümkün olan her yapılandırmayı izlememiz gerekir.Rather, we have to track every possible configuration a quantum system could be in if we want to understand the quantum evolution.

Elektronların $40$ konumdan birinde olabileceği bir elektron sistemi düşünün.Consider a system of electrons where electrons can be in any of say $40$ positions. Bunun sonucunda elektronlar $2^{40}$ yapılandırmanın herhangi birinde olabilir (çünkü her konumda elektron olabilir veya olmayabilir).The electrons therefore may be in any of $2^{40}$ configurations (since each position can either have or not have an electron). Elektronların kuantum halini geleneksel bir bilgisayar belleğinde depolamak $130$ GB’tan fazla bellek gerektirir!To store the quantum state of the electrons in a conventional computer memory would require in excess of $130$ GB of memory! Bu büyük bir boyut olmasına karşın bazı bilgisayarların erişmesi mümkündür.This is substantial, but within the reach of some computers. Parçacıkların $41$ konumdan birinde olmasına izin verseydik $2^{41}$ konumunda iki kat yapılandırma olurdu ve sonuç olarak kuantum halin depolanması için $260$ GB’tan fazla bellek gerekirdi.If we allowed the particles to be in any of $41$ positions, there would be twice as many configurations at $2^{41}$ which in turn would require more than $260$ GB of memory to store the quantum state. Hali geleneksel olarak depolamak istiyorsak dünyanın en güçlü makinelerinin bellek kapasitesini hızlıca aşacağımız için, konum sayısını artırmaya yönelik bu oyun sonsuza kadar oynanamaz.This game of increasing the number of positions cannot be played indefinitely if we want to store the state conventionally as we quickly exceed memory capacities of the world's most powerful machines. Birkaç yüz elektrona ulaşıldığında, sistemi depolamak için gereken bellek evrendeki parçacık sayısını aşar. Bu nedenle, geleneksel bilgisayarlarımızla kuantum dinamiklerini benzetmek mümkün değildir.At a few hundred electrons the memory required to store the system exceeds the number of particles in the universe; thus there is no hope with our conventional computers to ever simulate their quantum dynamics. Ancak doğada bu tür sistemler, geleneksel bilişim gücüyle evrimlerini tasarlayıp benzetme yetersizliğinin farkında olmadan, kuantum mekaniği kanunlarına uygun olarak zaman içinde evrilir.And yet in nature, such systems readily evolve in time according to quantum mechanical laws, blissfully unaware of the inability to engineer and simulate their evolution with conventional computing power.

Bu gözlem, kuantum bilişimi vizyonuna daha önce sahip olan kişileri şu basit ancak güçlü soruya yönlendirir: Bu zorluğu bir fırsata dönüştürebilir miyiz?This observation led those with an early vision of quantum computing to ask a simple yet powerful question: can we turn this difficulty into an opportunity? Özellikle, kuantum dinamiğini benzetmek zorsa, temel işlemler olarak kuantum etkilerine sahip donanımlar oluşturmak istediğimizde ne olur?Specifically, if quantum dynamics are hard to simulate what would happen if we were to build hardware that had quantum effects as fundamental operations? Etkileşim halindeki parçacıkları doğal olarak yöneten kanunların tam olarak aynısını kullanan bir sistemden yararlanarak bu parçacık sistemlerinin benzetimini oluşturabilir miyiz?Could we simulate systems of interacting particles using a system that exploits exactly the same laws that govern them naturally? Doğada hiç bulunmayan görevleri araştırırken kuantum mekaniği kanunlarını izleyebilir veya bu kanunlardan yararlanabilir miyiz?Could we investigate tasks that are entirely absent from nature, yet follow or benefit from quantum mechanical laws? Bu sorular bizi kuantum bilişiminin kaynağına götürmektedir.These questions led to the genesis of quantum computing.

Kuantum bilişiminin temeli, maddenin kuantum hallerindeki bilgileri depolamak ve kuantum girişiminden yararlanarak ve bunu “programlamayı” öğrenerek bu bilgiler üzerinde hesaplama yapmak için kuantum işlemlerini kullanmaktır.The foundational core of quantum computing is to store information in quantum states of matter and to use quantum gate operations to compute on that information, by harnessing and learning to "program" quantum interference. Geleneksel bilgisayarlarımızda zor olduğu düşünülen bir sorunu çözmeye yönelik programlama arabiriminin erken örneklerinden biri 1994 yılında çarpanlara ayırma olarak bilinen bir sorun için Peter Shor tarafından gerçekleştirilmiştir.An early example of programming interference to solve a problem thought to be hard on our conventional computers was done by Peter Shor in 1994 for a problem known as factoring. Çarpanlara ayırma sorununun çözümü, günümüzde RSA ve Eliptik Eğri Şifrelemesi gibi temelinde e-ticaret güvenliği olan ortak anahtar kriptosistemlerinin birçoğunu çözme becerisini beraberinde getirmiştir.Solving factoring brings with it the ability to break many of our public key cryptosystems underlying the security of e-commerce today, including RSA and Elliptic Curve Cryptography. O zamandan bu yana, zorlu klasik görevlerimizin birçoğu için hızlı ve verimli kuantum bilgisayar algoritmaları geliştirilmiştir: kimya, fizik ve malzeme biliminde fiziksel sistemlerin benzetimini oluşturmak, sıralanmamış bir veritabanını arama, doğrusal denklem sistemlerini çözme ve makine öğrenmesi.Since that time, fast and efficient quantum computer algorithms have been developed for many of our hard classical tasks: simulating physical systems in chemistry, physics, and materials science, searching an unordered database, solving systems of linear equations, and machine learning.

Çakışmadan yararlanmak için bir kuantum programı tasarlamak göz korkutan bir zorluk gibi gelebilir. Öyle olsa da, kuantum programlama ve algoritma geliştirme işlemini daha erişilebilir hale getirmek amacıyla Microsoft Quantum Development Kit gibi birçok teknik ve araç kullanıma sunulmuştur.Designing a quantum program to harness interference may sound like a daunting challenge, and while it is, many techniques and tools, including our Microsoft Quantum Development Kit, have been introduced to make quantum programming and algorithm development more accessible. Kuantum çakışmasını bilişim için faydalı bir şekilde yönetmek için kullanılabilen, aynı zamanda çözümün kuantum olasılıklarının kargaşası için kaybolmasına neden olmayan birkaç temel strateji mevcuttur.There are a handful of basic strategies that can be used to manipulate quantum interference in a way useful for computing, while at the same time not causing the solution to be lost in a tangle of quantum possibilities. Kuantum programlama, kuantum algoritma düşünce biçimini anlayıp ifade etmek için çok farklı araçlar gerektiren klasik programlamadan ayrı bir beceridir.Quantum programming is a distinct art from classical programming requiring very different tools to understand and express quantum algorithmic thinking. Gerçekten de, bir kuantum geliştiricisinin kuantum programlamayı başarmasına yardımcı olan genel araçlar olmadan kuantum algoritma geliştirmek o kadar kolay değildir.Indeed, without general tools to aid a quantum developer in tackling the art of quantum programming, quantum algorithmic development is not so easy.

Görevleri, sorunları ve çözümleri için kuantum devrimini gerçekleştirmeye yardımcı olacak araçlarla büyüyen bir topluluğu desteklemek üzere Microsoft Quantum Development Kit’i sunuyoruz.We present the Microsoft Quantum Development Kit to empower a growing community with tools to unlock the quantum revolution for their tasks, problems, and solutions. Üst düzey bilgisayar dilimiz Q# kuantum bilgi işlemenin zorluklarına çözüm getirmek için tasarlanmıştır; kuantum algoritmasının bir kuantum bilgisayarın temel işlemlerine kadar derlenmesine olanak tanıyan bir yazılım yığınıyla tümleştirilmiştir.Our high-level programming language, Q#, was designed to address the challenges of quantum information processing; it is integrated in a software stack that enables a quantum algorithm to be compiled down to the primitive operations of a quantum computer. Programlama diline yaklaşmadan önce, kuantum bilişiminin dayandığı temel ilkeleri gözden geçirmek yararlıdır.Before approaching the programming language, it's helpful to review the basic principles on which quantum computing is based. Kuantum bilişiminin temel kurallarını, kuantum mekaniğindeki temellerini ayrıntılı olarak anlatmak yerine aksiyom olarak kabul edeceğiz.We will take the fundamental rules of quantum computing to be axioms, rather than detailing their foundations in quantum mechanics. Ayrıca, lineer cebir (vektör, matrisler vb.) ile ilgili temel bilgilere sahip olduğunuzu varsayacağız.Additionally, we will assume basic familiarity with linear algebra (vectors, matrices, and so on). Kuantum bilişimin geçmişi ve ilkeleri hakkında daha ayrıntılı bir çalışma görmek istiyorsanız, daha fazla bilgi içeren başvuru bölümüne bakabilirsiniz.If a deeper study of quantum computing history and principles is desired, we refer you to the reference section containing more information.