Kuantum bilişimini anlamaUnderstanding quantum computing

Kuantum bilişimi, bilgileri işlemek için kuantum mekaniği ilkelerini kullanır.Quantum computing uses the principles of quantum mechanics to process information. Bu nedenle, kuantum bilişimi klasik bilişimden farklı bir yaklaşım gerektirir.Because of this, quantum computing requires a different approach than classical computing. Bu farkın bir örneği, kuantum bilgisayarlarda kullanılan işlemcidir.One example of this difference is the processor used in quantum computers. Klasik bilgisayarlar tanıdık silikon bazlı çipler kullanırken, kuantum bilgisayarlar atom, iyon, foton ve elektron gibi kuantum malzemelerini kullanır.Where classical computers use familiar silicon-based chips, quantum computers use quantum materials such as atoms, ions, photons, or electrons.

Kuantum malzemesi, kuantum mekaniği kanunlarına göre davranır ve olasılık hesaplama, süper konum ve dolaşıklık gibi kavramlardan yararlanır.The quantum material behaves according to the laws of quantum mechanics, leveraging concepts such as probabilistic computation, superposition, and entanglement. Bu kavramlar, karmaşık sorunları çözmek için kuantum bilişiminin gücünden yararlanan kuantum algoritmalarının temelini sağlar.These concepts provide the basis for quantum algorithms that harness the power of quantum computing to solve complex problems. Bu makalede, kuantum bilişiminin temel aldığı önemli kuantum mekaniği kavramlarından bazıları açıklanmaktadır.This article describes some of the essential concepts of quantum mechanics on which quantum computing is based.

Kuantum mekaniğinin kuşbakışı görünümüA bird’s-eye view of quantum mechanics

Kuantum teorisi olarak da bilinen kuantum mekaniği, atomik ve atom altı düzeylerdeki parçacıkların incelendiği bir fizik dalıdır.Quantum mechanics, also called quantum theory, is a branch of physics that deals with particles at the atomic and subatomic levels. Ancak, kesin gözüyle baktığınız birçok mekanik kanunu kuantum düzeyinde geçerli olmaz.At the quantum level, however, many of the laws of mechanics you take for granted don’t apply. Süper konum, kuantum ölçümü ve dolaşıklık, kuantum bilişiminin merkezinde yer alan üç olaydır.Superposition, quantum measurement, and entanglement are three phenomena that are central to quantum computing.

Süper konum ve ikili bilişim karşılaştırmasıSuperposition vs. binary computing

Oturma odanızda egzersiz yaptığınızı düşünün.Imagine that you are exercising in your living room. Tamamen solunuza ve ardından tamamen sağınıza dönün.You turn all the way to your left and then all the way to your right. Şimdi aynı anda hem solunuza hem de sağınıza dönün.Now turn to your left and your right at the same time. Bunu yapamazsınız (en azından kendinizi ikiye bölmeden).You can’t do it (not without splitting yourself in two, at least). Elbette aynı anda bu iki durumda bulunamazsınız, yani aynı anda hem sola hem de sağa bakamazsınız.Obviously, you can’t be in both of those states at once – you can’t be facing left and facing right at the same time.

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.However, if you are a quantum particle, then you can have a certain probability of facing left AND a certain probability of facing right due to a phenomenon known as superposition (also known as coherence).

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.A quantum particle such as an electron has its own “facing left or facing right” properties, for example spin, referred to as either up or down, or to make it more relatable to classical binary computing, let’s just say 1 or 0. 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.When a quantum particle is in a superposition state, it’s a linear combination of an infinite number of states between 1 and 0, but you don’t know which one it will be until you actually look at it, which brings up our next phenomenon, quantum measurement.

Kuantum ölçümüQuantum measurement

Şimdi arkadaşınızın evinize geldiğini ve siz egzersiz yaparken resminizi çekmek istediğini düşünün.Now, let’s say your friend comes over and wants to take a picture of you exercising. Büyük olasılıkla, tamamen sola ve tamamen sağa dönmenizin arasındaki halinizi gösteren bulanık bir resim çekmiş olur.Most likely, they’ll get a blurry image of you turning somewhere between all the way left and all the way right.

Ancak bir kuantum parçacığıysanız, ilginç bir şey olur.But if you’re a quantum particle, an interesting thing happens. Resim çekilirken nerede olursanız olun, sizi her zaman ya tamamen sola ya da tamamen sağa dönmüş olarak gösterir, arada göstermez.No matter where you are when they take the picture, it will always show you either all the way left or all the way right – nothing in-between.

Bunun nedeni, kuantum parçacığını gözlemleme veya ölçme eyleminin süper konum durumunu çöktürmesi (uyumsuzluk olarak da bilinir) ve parçacığın 1 veya 0 değerindeki klasik ikili durumlarından birini almasıdır.This is because the act of observing or measuring a quantum particle collapses the superposition state (also known as decoherence) and the particle takes on a classical binary state of either 1 or 0.

Bu ikili durum bizim için yararlıdır, çünkü bilişimde 1’ler ve 0’larla çok sayıda şey yapabilirsiniz.This binary state is helpful to us, because in computing you can do lots of things with 1’s and 0’s. Ancak bir kuantum parçacığı ölçülüp çöktükten sonra, sonsuza dek bu durumda kalır (tıpkı resminiz gibi) ve her zaman 1 veya 0 olur.However, once a quantum particle has been measured and collapsed, it stays in that state forever (just like your picture) and will always be a 1 or 0. Ancak daha sonra göreceğiniz gibi, kuantum bilişiminde parçacığın kuantum hesaplamalarında yeniden kullanılabilmesi için parçacığı bir süper konum durumuna “sıfırlayabilen” işlemler vardır.As you’ll see later, though, in quantum computing there are operations that can “reset” a particle back to a superposition state so it can be used for quantum calculations again.

DolaşıklıkEntanglement

Kuantum mekaniğinin belki de en ilginç olayı, iki veya daha fazla kuantum parçacığının birbiriyle dolaşık hale gelmesi olanağıdır.Possibly the most interesting phenomenon of quantum mechanics is the ability of two or more quantum particles to become entangled with each other. Parçacıklar dolaşık hale geldiğinde, herhangi bir parçacığın kuantum durumunun diğer parçacıkların kuantum durumundan bağımsız olarak açıklanamayacağı tek bir sistem oluşturur.When particles become entangled, they form a single system such that the quantum state of any one particle cannot be described independently of the quantum state of the other particles. Bu, bir parçacığa uyguladığınız her türlü işlemin diğer parçacıklarla da bağıntılı olduğu anlamına gelir.This means that whatever operation or process you apply to one particle correlates to the other particles as well.

Bu karşılıklı bağımlılığın yanı sıra, parçacıklar son derece büyük uzaklıklarda (ışık yılları kadar uzaklıkta bile) ayrılsa bile bu bağlantıyı koruyabilir.In addition to this interdependency, particles can maintain this connection even when separated over incredibly large distances, even light-years. Kuantum ölçümünün etkileri dolaşık parçacıklar için de geçerli olur. Bu parçacıklardan biri ölçülüp çöktüğünde diğer parçacık da çöker.The effects of quantum measurement also apply to entangled particles, such that when one particle is measured and collapses, the other particle collapses as well. Dolaşık kubitler arasında bir bağıntı olduğundan, bir kubitin durumunu ölçmek diğer kubitin durumu hakkında bilgi sağlar. Bu özellik, kuantum bilişiminde çok faydalıdır.Because there is a correlation between the entangled qubits, measuring the state of one qubit provides information about the state of the other qubit – this particular property is very helpful in quantum computing.

Kubitler ve olasılıkQubits and probability

Klasik bilgisayarlar bilgileri, 1 veya 0 durumlarından birine sahip olabilen ancak asla ikisine birden sahip olamayan bitlerde depolayıp işler.Classical computers store and process information in bits, which can have a state of either 1 or 0, but never both. Bunun kuantum bilişimindeki eşdeğeri, kuantum parçacığının durumunu temsil eden kubittir.The equivalent in quantum computing is the qubit, which represents the state of a quantum particle. Süper konum nedeniyle, kubitler 1, 0 ya da bunların arasındaki herhangi bir değer olabilir.Because of superposition, qubits can either be 1 or 0 or anything in between. Bir kubit, yapılandırmasına bağlı olarak, 1 veya 0 değerine çökmeye yönelik belirli bir olasılığa sahiptir.Depending on its configuration, a qubit has a certain probability of collapsing to 1 or 0. Kubitin iki durumdan birine çökme olasılığı, kuantum girişimi ile belirlenir.The qubit's probability of collapsing one way or the other is determined by quantum interference.

Resminizi çeken arkadaşınızı hatırladınız mı?Remember your friend that was taking your picture? Kamerasında girişim filtreleri olarak adlandırılan özel filtreler olduğunu varsayalım.Suppose they have special filters on their camera called Interference filters. 70/30 filtresini seçer ve resim çekmeye başlarsa, resimlerin %70’inde sola baktığınız, %30’unda ise sağa baktığınız görülür.If they select the 70/30 filter and start taking pictures, in 70% of them you will be facing left, and in 30% you will be facing right. Filtre, davranış olasılığını etkilemek için kameranın normal durumuna girişimde bulunmuştur.The filter has interfered with the regular state of the camera to influence the probability of its behavior.

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.Similarly, quantum interference affects the state of a qubit in order to influence the probability of a certain outcome during measurement, and this probabilistic state is where the power of quantum computing excels.

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.For example, with two bits in a classical computer, each bit can store 1 or 0, so together you can store four possible values – 00, 01, 10, and 11 – but only one of those at a time. 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.With two qubits in superposition, however, each qubit can be 1 or 0 or both, so you can represent the same four values simultaneously. Üç kubitle sekiz değeri temsil edebilir, dört kubitle 16 değeri temsil edebilir ve bu şekilde devam edebilirsiniz.With three qubits, you can represent eight values, with four qubits, you can represent 16 values, and so on.

ÖzetSummary

Bu kavramlar, kuantum mekaniğinin yalnızca giriş kısımlarını oluşturuyor olsa da kuantum bilişimini öğrenme konusunda önemli temel kavramlardır.These concepts just scratch the surface of quantum mechanics, but are fundamentally important concepts to know for quantum computing.

  • Süper konum: Kuantum parçacıklarının tüm olası durumların bir bileşimi olması olanağı.Superposition - The ability of quantum particles to be a combination of all possible states.
  • Kuantum ölçümü: Bir kuantum parçacığını süper konumda gözlemleme ve olası durumlardan birine neden olma işlemi.Quantum measurement - The act of observing a quantum particle in superposition and resulting in one of the possible states.
  • Dolaşıklık: Kuantum parçacıklarının ölçüm sonuçlarını birbirleriyle ilişkilendirme olanağı.Entanglement - The ability of quantum particles to correlate their measurement results with each other.
  • Kubit: Kuantum bilişiminde temel bilgi birimi.Qubit - The basic unit of information in quantum computing. Kubit, bir kuantum parçacığını tüm olası durumların süper konumunda temsil eder.A qubit represents a quantum particle in superposition of all possible states.
  • Girişim: Bir kubitin iki durumdan birine çökme olasılığını etkilemeye yönelik süper konum nedeniyle kendine özgü davranışı.Interference - Intrinsic behavior of a qubit due to superposition to influence the probability of it collapsing one way or another.

Sonraki AdımlarNext Steps

Kuantum bilgisayarlar ve kuantum simülatörleriQuantum computers and quantum simulators