Begüm ÖNCÜ’nün 24 Ekim 2025 tarihli yazısı: Bilgi İşlemde Devrim: Kuantum Bilgisayarlar
Kuantum bilgisayarlar, verileri işlemek için kuantum mekaniğinin temel özelliklerini kullanan bilgisayarlardır. Geleneksel bilgisayarlar ikili bitleri yani 0 veya 1’i kullanırken, kuantum bilgisayarları kubit adı verilen kuantum parçacıklarını kullanırlar. Bir kubit, aynı anda 0 ve 1 olabilen bir durumda olabilir. İki veya daha fazla kubit birlikte çalıştığında dolanıklık adı verilen özel bir bağlantı kurabilirler. Bu bağlantı, bir kubitin durumunun anında diğerinin durumuyla ilişkilendirilmesi demektir. Bu iki özelliğin birleşimi, bazı hesaplamaların klasik bilgisayarlarla yapılmasından daha efektiftir.
Kuantum bilgisayarlar için bazı temel kavramlar bulunmaktadır. İlk olarak, kuantum bilgisayarlada kullanılan kubit (qubit) kavramı öne çıkmaktadır. Biriminin durumunu genelde iki durumla ifade ederiz, örneğin |0⟩ ve |1⟩. Ancak kuantum süperpozisyonu sayesinde bu iki durumun sürece yayılan bir karmaşık genliği oluşmaktadır. Süperpozisyon kavramı ise, bir kubitin aynı anda hem 0 hem de 1 olma durumudur. Ölçüm yapıldığı esnada belirli bir değer hesaplanabilirken, ölçüm sonrasında durum kaybolur. Dolanıklık kavramı ise, iki veya daha fazla kubit arasında özel bir korelasyon oluşmasıdır. Kubitlerden birinin ölçüm sonuçları diğerlerinin ölçüm sonuçlarını anlık olarak etkilemekte olup, aralarındaki bu ilişkiyi uzaktan sağlamaktadır.
Kuantum kapıları ve hesaplama konusunda ise kuantum bilgisayarlarda işlemler, kubitlerin durumlarını değiştiren bir dizi kuantum kapısı ile uygulanır. Örneğin Hadamard (H) kapısı superpozisyonu oluşturur. CNOT kapısı iki kubitli dolanıklık sağlamaktadır. Kuantum devrelerinde kapılar ardışık olarak uygulanır ve ölçüm yapılır. Kuantum sistemleri çevresel etkileşimler nedeniyle hızla bozulabilir bu durum dekoherans olarak adlandırılır. Çevresel etkileşimler nedeniyle kuantum hata düzeltme ve fault-tolerant hesaplama konuları öne çıkmaktadır ve pratik kullanım için kritik çalışmalardır. Kuantum bilgisayarlar, kubitlerin süperpozisyonu ve dolanıklığı sayesinde bazı hesaplama görevlerinde klasik bilgisayarlara göre avantajlı konumda olmakla beraber yeni bir hesaplama paradigması sunmaktadır.
Kuantum bilgisayarların çalışma şekli başlangıçta kubitlerin |0⟩ durumuna hazırlanmasıyla başlamaktadır. Mantık işlemleri için bir dizi kuantum kapısı uygulanır. Bu kapılar kubitleri süperpozisyon ve dolanıklık durumlarına taşımaktadır. Ölçümle son durum klasik bilgiye çevrilir. Elde edilen ölçüm sonuçları istatistiksel olarak tekrarlandığında güvenilir bulgu toplanmasına yardımcı olur. Günümüzde, kuantum hesaplama genellikle klasik bilgisayarla hibrit olarak kullanılmaktadır. Kuantum işlemler özellikle ağır hesaplama adımlarını hızlandırırken, kontrol akışı ve analitik işlemler ise klasik bilgisayarda yürütülür.
Kullanım alanları açısından değerlendirdiğimizde, makine öğrenimi ve sayaçlar özelinde kuantum kernel yöntemleri ve bazı varyasyonlu algoritmalar, belirli veri sınıflandırma ve modelleme görevlerinde potansiyel güçlü faydalar oluşmasına zemin hazırlayacaktır. Kimyasal reaksiyonlar ve katalizör tasarımı süreçlerinde de yine hücre içi etkileşimlerin ve enerji yüzeylerinin daha verimli hesaplanabilmesi sayesinde, yeni katalizörlerin hazırlanmasında yardımcı bir unsur olacaktır. Şifreleme ve güvenlik konusunda da kuantum bilgisayarlar öne çıkmaktadır. Klasik şifreleme algoritmalarının bazılarının güvenlik seviyesi yeterli düzeyde olmadığı için şifreler kırılabilmektedir. Bu alandaki güvenlik zafiyetine istinaden, kuantum dayanıklı şifreleme alanı hızla gelişim göstermektedir. Ayrıca kuantum özelinde güvenli iletişim ve anahtar dağıtımı gibi konular için araştırmalar da yapılmaktadır.
Kuantum bilgisayarların kullanım alanları şu an için sınırlı olsa da kimya, malzeme bilimi, optimizasyon ve güvenlik gibi alanlarda önemli yenilikler kazandırması beklenmektedir. Genel amaçlı hızlandırıcı olarak nitelendirilen kuantum bilgisayarlar mevcut sistemde geliştirilmeye açık bir noktadır. Yapılan çalışmalar sonucu, ölçeklenebilirlik ve hata toleransı konularında ilerlemeye bağlı olarak giderek daha somut uygulamalara dönüşmesi beklenmektedir.
