Kuantum bilgisayarı veri üzerinde işlem yapmak için bindirme ve dolaşma gibi kuantum-mekanik fenomenin doğrudan kullanımını sağlayan teorik hesaplama sistemlerini kullanan bilgisayarlardır.
Kuantum bilgisayarı, en basit haliyle kuantum mekaniğinin bilgisayarlarda doğrudan kullanımını sağlayan teknoloji olarak tanımlanıyor. Kuantum bilgisayarın çalışma prensibi, ismini aldığı fizik teorisine dayanıyor ve maddenin belirsizlik ilkesinden ötürü maddenin hem parçacık hem de tanecik gibi davranmasıyla açıklanıyor.
Günümüzde, bilgisayar teknolojisi binary digit adı verilen 1 ve 0 değerlerinin üzerine kurulu. Yani “var” ya da “yok” prensibi. Bu prensip, 20. yüzyıla kadar dünyayı algılayış yöntemimizin temellerini oluşturuyordu. Ancak 20. yüzyılda fiziğin gelişmesiyle birlikte var ve yok arasındaki keskin çizgi de belirsizleşmeye başladı.
Kuantum fiziğinde yer alan belirsizlik ilkesine göre bir elektronun aynı anda hem hızı hem de konumu tam olarak bilinemez. Hızını ölçmeye kalktığınızda konumu, konumunu ölçmeye kalktığınızda hızı bir olasılık dağılımının içinde herhangi bir değer alabilir. Uzun süreler boyunca tartışılan bu prensip, temel olarak bir elektronun aynı anda hem bir yerde olup hem de olamayacağını ifade ediyor. Yani fiziksel dünyamızdan uyarladığımız bilgi biliminin “var” ve “yok” kavramlarının dışında, ikiden daha fazla bilgi bulunabilir demek oluyor.
Kuantum fiziğinin bu garip dünyasını fark eden araştırmacılar, bu prensibin bilgisayarları daha da geliştirmek adına uygulanıp uygulanamayacağını merak etti. Sonuçta 2 bit yerine daha fazla veri, daha fazla işlem gücü anlamına gelirdi. Kuantum bilgisayarlar tam olarak bu noktada ortaya çıktı.
Dünyanın en güçlü bilgisayarını inşa etmenin sırlarından biri muhtemelen banyonuzda lavabosunda.
IBM’in New York Eyaleti Westchester County’deki Thomas J. Watson Araştırma Merkezi’nde bilim insanları, en yenisi belirli görevleri dizüstü bilgisayarınızdan milyonlarca kat daha hızlı tamamlayabilen petrol varili büyüklüğündeki kuantum bilgisayarlarını kurcalamaları gerekmesi ihtimaline karşı her zaman bir kutu diş ipini yanlarında bulunduruyorlar.
IBM’in System One’ının Mona Lisa ile aynı türden bir koruyucu camla korunan pırıltılı alüminyum kutusunun içinde, bir dizi matruşkaya benzeyen, çevresi azalan üç silindir bulunuyor. Bunlar birlikte, kalın altın plakalardan tabandaki bir kuantum çipine akan ilmekli gümüş tellerden oluşan bir avizeyi çevreliyor. Bu çipin düzgün çalışabilmesi için 0,015 kelvine (mutlak sıfırın biraz üzerinde ve uzay boşluğundan daha soğuk) kadar süper soğutulması gerekiyor. Çoğu malzeme bu kadar yoğun bir soğukta büzüşür ya da kırılganlaşır ve kopar. Ancak sıradan diş ipinin, telleri sabitlemeniz gerektiğinde bütünlüğünü oldukça iyi koruduğu ortaya çıktı. IBM’in kuantumdan sorumlu başkan yardımcısı Jay Gambetta, “Ama sadece mumsuz ve aromasız olanları” diyor. “Aksi takdirde, açığa çıkan buharlar her şeyi mahvediyor.”
Bu, hemen her şeyi dönüştürmeye aday bir teknolojinin ilginç bir şekilde sade bir yönü. Kuantumun veri yığınlarını kırma konusundaki benzersiz yeteneği, halihazırda dünyayı dolaşan binlerce yakıt tankerinin rotalarını optimize ediyor, hangi yoğun bakım hastalarının en acil bakıma ihtiyaç duyduğuna karar vermeye yardımcı oluyor ve yeni malzemeleri daha iyi tasarlamak için atomik düzeyde kimyasal süreçleri taklit ediyor. Ayrıca, sürücüsüz arabaları ve drone taksileri nihayet gerçeğe dönüştürebilecek algoritmaları daha iyi eğitme gücüyle yapay zekayı güçlendirmeyi vaat ediyor. ABD Ulusal Siber Direktörü Chris Inglis TIME’a verdiği demeçte, Kuantum Yapay Zeka simülasyonlarının “akıllara durgunluk veren bir etkinlik ve verimlilik derecesi” sergilediğini söylüyor.
Kuantumun en erken benimseyenleri varlık yönetimi firmalarıdır – kuantum hesaplamalarını dahil etmek birkaç artan genel maliyet içerir – ancak ticari kullanımlar çok geride değildir. İspanyol Multiverse Computing firması BASF ve Bosch gibi çok uluslu müşterilerle başarılı pilot projeler yürüttü ve kuantum algoritmalarının döviz ticareti kârlarını iki katına çıkarabildiğini ve üretim hattındaki hataların neredeyse dört katını yakalayabildiğini gösterdi. Multiverse CEO’su Enrique Lizaso Olmos, “Kuantum derin öğrenme algoritmaları klasik algoritmalardan tamamen farklıdır” diyor. “Onları daha hızlı eğitebilir, daha fazla strateji deneyebilir ve çok sayıda veriden önemli olan korelasyonları elde etmede çok daha iyiler.”
Google’dan Amazon ve Alibaba’ya kadar teknoloji devleri -teknolojik üstünlük için yarışan ulus devletlerden bahsetmiyorum bile- bu alana hakim olmak için yarışıyor. International Data Corp. analizine göre, küresel kuantum bilişim sektörünün 2020’de 412 milyon dolardan 2027’de 8,6 milyar dolara çıkacağı tahmin ediliyor.
Geleneksel bilgisayarlar bilgiyi işlemek için ikili “bitlere” (1’ler ve 0’lar olarak gösterilen açık ya da kapalı anahtarlar) dayanırken, kuantum hesaplamanın temelini oluşturan “kübitler”, havada dönen bir madeni para gibi, her iki durumun belirli bir yüzdesinde aynı anda var olabilen küçük atom altı parçacıklardır. İkili işlemden çok değişkenli işleme doğru yapılan bu sıçrama, hesaplama gücünü katlanarak artırmaktadır. Şu anda en güçlü süper bilgisayarın birkaç yılını alan karmaşık problemler potansiyel olarak saniyeler içinde çözülebilir. Gelecekteki kuantum bilgisayarlar, matematik ve bilimde şimdiye kadar anlaşılmamış sınırlar açarak iklim değişikliği ve gıda güvenliği gibi varoluşsal zorlukların çözülmesine yardımcı olabilir. Yakın zamanda yapılan atılımlar ve hükümet yatırımları, şu anda bir kuantum devriminin eşiğinde olduğumuz anlamına geliyor. Gambetta, “Önümüzdeki beş yıl içinde kuantum inovasyonunda son 30 yılda yaptığımızdan daha fazlasını yapacağımıza inanıyorum” diyor.
Ancak her yıkıcı unsur riskleri de beraberinde getirir ve kuantum ulusal güvenlik açısından bir migren haline gelmiştir. Kuantumun problem çözme kapasitesi yakında mevcut tüm kriptografiyi geçersiz kılacak, iletişimi, finansal işlemleri ve hatta askeri savunmaları tehlikeye atacaktır. Sektörel bir yayın olan Inside Quantum Technology’nin operasyon müdürü Dan O’Shea, “İnsanlar kuantumu yeni bir uzay yarışı olarak tanımlıyor” diyor. Ekim ayında ABD Başkanı Joe Biden IBM’in Poughkeepsie, New York’taki kuantum veri merkezini gezdi ve kuantumu “ekonomimiz için hayati ve ulusal güvenliğimiz için de aynı derecede önemli” olarak nitelendirdi. Bu yeni büyük güçler rekabeti çağında Çin ve ABD, hayati önem taşıyan zeminlerini kaybetmemek için bu teknolojiyi fethetmeye özellikle kararlı. Ticari kuantum uygulamaları sunan Colorado merkezli bir firma olan Quantinuum’un başkanı ve COO’su Tony Uttley, “Bu teknoloji bir sonraki sanayi devrimi olacak” diyor. “İnternetin başlangıcı ya da klasik bilgi işlemin başlangıcı gibi.”
Geleneksel bilgi işlemin bizi bu kadar ileriye götürmüş olması şaşırtıcı. 1970’lerin sonundaki çığır açan Apple II’den günümüzün akıllı telefonlarına ve süper bilgisayarlarına kadar tüm işlemciler görevleri ikililere ayırıyor. Ancak yaşam o kadar karmaşık ki, bilgiyi bu kadar ilkel bir şekilde işlemek, Mors alfabesiyle bir Rachmaninoff konçertosu çalmaya benziyor.
Kuantum aynı zamanda doğa ile daha uyumludur. Evrenin yapı taşları olan moleküller, her birinin bir parçası olarak var olan elektronlarla birbirine bağlanmış çoklu atomlardır. Bu elektronların esasen aynı anda iki durumda bulunma şekli, kuantum parçacıklarının kopyaladığı şeydir ve ilaçların insan vücuduyla nasıl etkileşime girdiğini veya maddelerin korozyon altında nasıl performans gösterdiğini tahmin ederek doğa ve malzeme bilimleri için uygulamalar sunar. Geleneksel üretim, deneme yanılma yoluyla atılımlar yapmak için hesaplanmış tahminler gerektirir; kuantum, doğal dünyayı yansıtarak ilerlemelerin amaca yönelik olarak tasarlanmasına izin vermelidir.
Dünyanın en büyük şirketleri ve yüzlerce startup kuantumdan yararlanmak için yarışırken IBM son yıllarda sektör lideri olarak ortaya çıktı. Bugün firmanın 60’tan fazla çalışan kuantum bilgisayarı (dünyanın geri kalanının toplamından daha fazla) ve Exxon-Mobil’den Sony’ye kadar neredeyse her sektörün devlerini içeren bir işbirliği listesi var. Bir asırdan uzun bir süre önce delikli kartlarla çalışan hesap makineleri üretmek üzere kurulan bu köklü firma için teknolojinin zirvesine dönüş memnuniyet verici. Son yıllarda IBM, bulut bilişim ve yapay zeka ile inisiyatifi ele geçiremeyerek Apple ve Microsoft gibi rakiplerinin gerisinde kalmıştı. Quantum bu durumu biraz olsun telafi ediyor. Bir yönetici, “Tekrar zirvede olmak harika,” diyor. “Bulutta atılım yapmayarak bazı şeylerin kaymasına izin verdiğimiz bir sır değil.”
Kasım ayında IBM, dünyanın en güçlü kuantum işlemcisi olan 433 kübitlik yeni Osprey çipini tanıttı; bu çipin hızı, geleneksel bitlerle temsil edilse, bilinen evrendeki toplam atom sayısını çok aşacak. IBM, bugüne kadar 450.000’den fazla kez indirilen açık kaynaklı kuantum araç kiti Qiskit’te 20’den fazla kuantum bilgisayarına sahiptir. Kuantum etrafında bir endüstri oluşturmak için bazı makinelerin kullanımı ücretsizken, yeni başlayanlar ve akademisyenler gibi ödeme yapan müşteriler daha güçlü olanlara kiralama esasına göre uzaktan erişebiliyor. IBM’in bu yıl 1.121 kübitlik bir işlemciyi piyasaya sürmek ve 2025 yılına kadar aynı bilgisayarda birden fazla işlemci çipini birbirine bağlayan modüler kuantum devreleri oluşturarak 4.000 kübiti aşmak için cesur bir yol haritası var. IBM kıdemli başkan yardımcısı ve araştırma direktörü Dario Gil, “Modülerlik büyük bir dönüm noktası,” diyor. “Artık on binlerce kübite sahip olacak makineler tasarlamak için bir yolumuz var.”
Kuantumun endüstriyel kullanım alanları sınırsızdır. BMW’nin Münih’teki genel merkezinde araç tasarımcılarına uykusuz geceler yaşatan bir duvar var. Sıfırdan yeni bir otomobil modeli yaratmak en az dört yıl sürüyor. İlk olarak, tasarımcılar güzelliği pratiklikle birleştiren bir dış tasarım çizmek için bilgisayar destekli şekillendirme kullanıyor. Ardından, ölçekli bir model kilden oyuluyor ve aerodinamiği değerlendirmek için bir rüzgar tüneline yerleştiriliyor. İç mekan, motor performansı ve benzeri konulardaki sayısız kararın ardından nihai test gelir: bir prototip, çarpışmada nasıl bir performans göstereceğini test etmek için o efsanevi duvara doğru 35 m.p.h. hızla sürülür. Araç çeşitli güvenlik kriterlerini karşılayamazsa, çizim tahtasına geri dönülür.
İşte bu noktada kuantum, farklı şekillerdeki karmaşık malzemelerin stres altında nasıl performans göstereceğini doğru bir şekilde tahmin ederek yardımcı olabilir. Fransız kuantum firması Pasqal ile ortaklık kuran BMW Group’un strateji, yönetişim ve BT güvenliğinden sorumlu başkan yardımcısı Carsten Sapia, “Sağlam simüle edilmiş çarpışma testleri tüm süreçte altı aya kadar tasarruf sağlayabilir” diyor. “Kuantum bilişim ayrıca tasarım, maksimum iç alan ve en iyi aerodinamik arasındaki yeni optimum değeri bulmamıza da yardımcı olacak.”
Bu sadece başlangıç. Modern iş dünyası, kuantum algoritmaları için ideal olan ve zaman, enerji ve kaynak tasarrufu sağlayabilecek optimizasyon problemleriyle dolup taşıyor. IBM’in kuantum stratejisi ve uygulamaları araştırma direktörü Katie Pizzolato, “Sadece teknolojiyi inşa etmiyoruz, işgücünün de bunu kullanmasını sağlamalıyız” diyor.
Sapia, teknolojinin kullanım alanlarını bulmanın kolay olduğunu söylüyor; asıl zorluk BMW’nin tüm bölümlerinin bu teknolojiyi kullanabilmesini sağlamak olacak. Halihazırda BMW, sınır ötesi veri aktarımı üzerindeki giderek artan katı kısıtlamalar nedeniyle sürüş yazılımı bakımı ve izleme için Avrupa’dan Çin’deki otomobilleriyle iletişim kuramıyor. Sapia, “Gelecekte, işimizi yürütmek için dünyanın her yerinde kuantum teknolojisine erişebileceğimize güveneceğiz” diyor. “Öyleyse jeopolitik ölçekte ne olursa olsun bu teknolojiye erişimimizin devam etmesini nasıl sağlayabiliriz?”
Geçtiğimiz birkaç yıl içinde kuantum, bir dipnot olmaktan çıkıp küresel güvenlik gündeminin en üst sıralarına yerleşti. Bugüne kadar 17 ülkenin ulusal kuantum stratejisi bulunuyor ve dört ülke de bunları geliştiriyor. Quantum Computing Report’a göre Çin 1980’lerin ortalarından bu yana kuantum araştırmalarına tahmini 25 milyar dolar yatırım yaptı. En iyi kuantum bilimcisi Pan Jianwei, 2016’da dünyanın ilk kuantum uydusunun fırlatılmasına öncülük etti ve 2021’de o zamanlar rekor kıran 56 kübitlik bir kuantum bilgisayarı tanıttı. Çin’in Mart 2021’de yayınlanan 14. Beş Yıllık Planı, kuantumda ustalaşmayı bir politika önceliği haline getirdi. Savunma Bakanlığı’nın eski baş veri sorumlusu David Spirk, “Çin’de endüstri ve ulusal güvenlik arasındaki bulanık çizgi onlara avantaj sağlıyor” diyor.
Buna karşılık Beyaz Saray Mayıs ayında, “ekonomik ve ulusal güvenliğe yönelik önemli riskler” nedeniyle tüm federal kurumların kuantum sonrası güvenliğe geçmesini emreden bir Ulusal Güvenlik Memorandumu yayınladı. Kritik altyapıyı yükseltmenin onlarca yıl alabileceği ve internete bağlı her şeyin risk altında olduğu düşünüldüğünde, şimdi harekete geçmek gerekiyor. ABD ordusu ve federal hükümet tarafından 1 trilyon dolarlık bir siber güvenlik güncellemesi için görevlendirilen kuantum sonrası siber güvenlik firması QuSecure’un kurucusu ve COO’su Skip Sanzeri, “[Kuantum] insanlık için harika olsa da, insanların yapacağı ilk şeyin bu sistemleri silah haline getirmek olacağını fark ettik” diyor.
Spirk yine de ABD’nin geride kalma riskinden endişe ediyor ve kuantuma “Manhattan Projesi benzeri” bir odaklanma çağrısında bulunuyor. Dünya Ekonomik Forumu’na göre, geçen yıl kuantum için küresel çapta harcanan 30 milyar doların yaklaşık yarısını Çin, neredeyse dörtte birini ise AB oluşturdu. ABD Ulusal Kuantum Girişimi ise sadece 1,2 milyar dolar harcadı ki Spirk bu rakamı 1 trilyon dolarlık toplam savunma harcaması karşısında “önemsiz” olarak nitelendiriyor. “Bu yaklaşan bir dalga değil” diyor, “artık burada.”
Riskler daha yüksek olamazdı. Günümüzde WhatsApp mesajları, banka transferleri ya da dijital el sıkışmalarından oluşan siber güvenliğin neredeyse tamamı, verileri güvenli bir şekilde aktarmak için kullanılan asimetrik bir kriptografi algoritması olan RSA’ya dayanmaktadır. Ancak normal bir bilgisayarın RSA’yı kırması için milyarlarca yıl gerekirken, hızlı bir kuantum bilgisayarı sadece saatler alır. Aralık ayında Çin’de bir grup bilim insanı, 372 kübitlik bir bilgisayarla RSA’yı kırabilecek bir kuantum algoritmasına sahip olduğunu iddia eden bir makale yayınladı (ancak sonuçları hararetle tartışılıyor). Kuantum sonrası güvenliği tasarlama yarışı şimdi ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’ne (NIST) düşüyor. NIST 2016 yılında programcıların yeni kuantum sonrası şifreleme algoritmaları önermeleri için bir yarışma ilan etti. Sonuçlar karışıktı: 5 Temmuz 2022’de açıklanan finalistlerden biri o zamandan beri normal bir dizüstü bilgisayar tarafından bir saatten biraz fazla bir sürede kırıldı.
Bazı açılardan, artık çok geç. RSA’yı kırabilecek kadar güçlü kuantum bilgisayarların kullanıma açılmasına daha birkaç yıl olsa da, bilgisayar korsanları çok yakında kuantum aracılığıyla erişebileceklerini bildikleri hassas verileri ele geçirip depolamaya başladılar bile. Gil, “Kuantum açısından güvenli bir protokole geçmediğiniz her gün, kurtarma planınız yok demektir,” diyor.
Ukrayna’daki savaş aynı zamanda bir uyandırma çağrısı işlevi de görmüştür. Rusya’nın askeri saldırılarına zemin hazırlamak için hayati öneme sahip iletişim ve altyapıyı hedef alması nedeniyle bu, tarihin siber saldırılarla başlayan ilk sıcak çatışması oldu. Kamu hizmetleri, enerji şebekeleri, medya, bankalar, işletmeler ve kar amacı gütmeyen kuruluşlar siber saldırıya maruz kalarak ilaç, gıda ve yardım malzemelerinin dağıtımını etkiledi. Modern savaş ve ulusal güvenlik mekanizmalarının temelinde karar alma hızı ve hassasiyeti yatmaktadır. Spirk, “Eğer sizin bilgisayarınız onlarınkinden hızlıysa, kazanırsınız, bu oldukça basit,” diyor. “Kuantum bir sonraki sıçramadır.”
Ancak kötü niyet sadece bir tehlikedir. ABD’nin yeni bir Soğuk Savaş’a girmesiyle birlikte, Çin ve Rusya’nın yeni NIST protokollerini benimseyip benimsemeyeceği de belirsizdir, özellikle de geçmişte RSA kriptografisinin ABD Ulusal Güvenlik Ajansı tarafından ihlal edildiği iddia edildiğinden beri. Eylül ayında Ulusal Güvenlik Danışmanı Jake Sullivan kuantumun “önümüzdeki on yıl içinde çok büyük bir öneme” sahip olacağını söyledi ve ihracat kontrollerinin ABD’nin avantajını korumak için kullanılabileceğini ekledi. Washington ve Pekin’in etki alanlarındaki kuantum sonrası güvenlik standartlarının rekabeti, dünyayı farklı bloklara bölme potansiyeline sahiptir ve bunun küresel ticaret üzerinde ciddi etkileri olacaktır. Inglis, “Bugün özgür ve açık internet olarak bildiğimiz şeyin balkanlaşması açıkça mümkün” diyor.
Kuantumu çevreleyen endişe yalnızca güvenlik risklerinden kaynaklanmıyor. Klasik bilgisayarlara kısmen güveniyoruz çünkü hesaplamalarını kalem ve kağıtla doğrulayabiliyoruz. Ancak kuantum bilgisayarlar o kadar gizemli fizik içeriyor ve o kadar karmaşık sorunlarla uğraşıyor ki, geleneksel doğrulama son derece zor. Şimdilik, sonucu kontrol etmek için geleneksel bir süper bilgisayarda birçok kuantum hesaplamasının simülasyonunu yapmak mümkün. Ancak yakında bir kuantum bilgisayarına güvenmenin bir inanç sıçraması gerektireceği bir zaman gelecek. Uttley, “Şu anda tüm ekosistemde güven oluşturmak gerçekten çok önemli” diyor.
Örneğin Boeing, yeni nesil uçakları için yeni malzemeler tasarlamak üzere 2020’den beri IBM’in kuantum ekibiyle birlikte çalışıyor. Ancak devasa itibar riskleri göz önüne alındığında, firmanın acelesi yok. Boeing’de yıkıcı bilişim ve ağlardan sorumlu baş mühendis Jay Lowell, “Uçaklarımızı tasarlamak için kullandığımız modelleme araçları yakından takip ediliyor” diyor. “[Kuantumu] operasyonel bir koda dönüştürmek çok ama çok büyük bir engel.”
IBM’in çok iyi bildiği bir engel. Ancak kuantum bilgisayarlarını açık kaynak haline getirerek ve her yerden akademisyenleri ve girişimcileri ağırlayarak, firma tereddütleri azaltmayı umuyor. Gil’in de belirttiği gibi, “bu insanlığın yeni bir sınırı.”
Kaynak: Time -Leslie Dickstein’ın haberiyle
TIME 2030 – https://time.com/time2030/
Bu haberin orijinal versiyonunda bir Fransız kuantum firmasının adı yanlış yazılmıştır. Pasqal’dır, Pascal değil.