Kuantum bilişimin gücünü açığa çıkarmak: dünyayı nasıl değiştirebilir?

Kuantum bilişim, gerçekliğin doğasına ilişkin mevcut anlayışı tamamen değiştirme potansiyeline sahiptir. Kuantum hesaplamanın evrenin birden fazla paralel evrene bölündüğünü ve her birinin farklı sonuçlara sahip bir gerçeklik versiyonu içerdiğini ortaya çıkaracağına dair bir teori var. Bu fizikçiler arasında hala tartışılan bir konu, ama doğru olabilir.

Bu sizin kuantum bilişime olan ilginizi artırıyor mu? Eğer öyleyse, gelin bu heyecan verici alanı keşfedelim.

Kuantum bilişimi: tanımı ve ilkeleri

Kuantum bilişim, kuantum mekaniğinin benzersiz ilkelerinden yararlanmayı amaçlamaktadır. Özünde kuantum hesaplama, hesaplama yapmak için yalnızca tek bir ikili değeri temsil etmeyen kuantum bitlerini (veya kübitlerini) kullanma fikrine dayanır. Ve bu alanın amacı güçlü yeni bilgi işlem teknolojileri yaratmaktır. 

Kuantum hesaplama birkaç temel ilkeye dayanır:

• Süperpozisyon – Kübitlerin aynı anda birden fazla değeri temsil etmesini sağlar. Örneğin, bir kübit hem 0 hem de 1’i temsil edebilirken, klasik bitler yalnızca 0 veya 1 olabilir.
• Dolanıklık – İki kübit dolaşık olduğunda, durumları klasik fizikle açıklanamayacak bir şekilde birbirine bağlanır. Bunu özel kılan şey, iki kübit arasındaki bilginin anında iletilebilir hale gelmesidir. Aralarındaki mesafe önemli değil.
• Dekoherans – Bu bir dezavantajdır. Kübitlerin hassas kuantum durumları çevreleri tarafından bozulabilir ve bu da tutarlılıklarını kaybetmelerine neden olur. Bu durumda, klasik bitlerle aynı hale gelirler. 

Kuantum hesaplama kavramını anlamak, parçacık fizikçileri için bile zor olabilir. Süperpozisyon ve dolanıklık fikri özellikle zihin karıştırıcı olabilir, bu nedenle dünyanın atom altı düzeyde nasıl işlediğine dair sezgilerimize meydan okuduğunu hissetmek normaldir.

Teknolojinin yükselişi

Rotman School of Management’tan Avi Goldfarb ve Waterloo Üniversitesi’nden Roger Melko, “Kuantum bilişimin büyük ölçekli kombinatorik problemleri daha hızlı ve daha ucuz çözme fırsatı, son yıllarda milyarlarca dolarlık yatırımı teşvik etti” diyor.

Kuantum bilişimin gelişimini yönlendiren temel faktörlerden biri, sorunları çözme potansiyelidir. Örneğin, kuantum bilgisayarların belirli matematiksel problem türlerini katlanarak daha hızlı çözebildiği gösterilmiştir.

Bir diğer faktör de teknolojinin kendisinde önemli ilerlemeler kaydedilmiş olmasıdır. Araştırmacılar kübit inşa etmek ve kontrol etmek için yeni yöntemler geliştiriyor ve kuantum hesaplamanın benzersiz özelliklerinden yararlanmak için yeni algoritmalar var.

IBM, Google ve Microsoft dahil olmak üzere birçok büyük şirket kuantum bilişim Ar-Ge’sine büyük yatırımlar yapmıştır. Ancak bu işi yapanlar sadece teknoloji devleri değil. Yeni girişimlerin ve şirketlerin kurulmasıyla birlikte, kolektif çaba sayesinde bu alanda heyecan verici birçok ilerleme kaydedildi.

Kuantum bilgisayarlar ne yapabilir?

Belirli sektörleri ve kullanım durumlarını ele almadan önce, kuantum bilgisayarların yapabileceği görevler hakkında geniş bir şekilde konuşalım. 

Makine öğrenimi

Araştırmacılar bilginin temel fiziksel sınırlarını daha derinlemesine araştırdıkça yeni bir çığır açıyorlar. Ve şimdi, bilgiyi işlemenin ve manipüle etmenin yeni yollarını ortaya çıkarıyorlar.

Kuantum bilgisayarlar büyük miktarda veriyi aynı anda işleyebilir. Bu da büyük ölçekli, veri yoğun makine öğrenimi algoritmalarının klasik bilgisayarlardan çok daha verimli bir şekilde yürütülmesini mümkün kılıyor. Ayrıca, yeni algoritmalar kuantum bilişimin dolanıklık ve süperpozisyon gibi benzersiz özelliklerinden faydalanabilir. 

Optimizasyon

Optimizasyon için kuantum hesaplamanın en önemli avantajlarından biri, yine hesaplamaların hızlandırılmasıdır. Böylece, diğer algoritmaların ulaşamayacağı problemlerin üstesinden gelebilir ve birçok olası seçenek arasından en iyi çözümü bulabilirler.

Simülasyon

Hatırlarsanız, kübitler aynı anda birden fazla durumda bulunabilirler. Bunun araştırmacılar ve işletmeler için anlamı, simülasyonların paralel olarak çalışabilmesidir. Bunu tam olarak gerçekleştirmek için hala yapılması gereken çok araştırma var, ancak karmaşık sistemlerin davranışını doğru bir şekilde modellemek ve özelliklerini tahmin etmek için zaten kullanılıyor.

Kuantum bilişim neden önemlidir? 

Kuantum bilişimin faydalarını sıralayarak şimdiye kadar tartışılan bilgilerin bir değerlendirmesini yapalım:

• Hız – Kuantum bilgisayarlar, hızlı ve büyük ölçekli hesaplamalar gerektiren birçok alanda kuantum mekaniksel olgulardan yararlanabilir.
• Paralellik – Bilgiyi doğrusal bir sırayla işlemek yerine, bu teknoloji aynı anda birden fazla girdiyi işleyebilir. 
• Enerji verimliliği – Bu fayda, artan bilgi işlem gücü talebi ve buna bağlı enerji maliyetleri ışığında dikkate değerdir. 
• Güvenli iletişim – Kuantum anahtar dağıtım protokolleri ve kuantum güvenli şifreleme bunun iki örneğidir. Kuantum bilişim ilerledikçe, şu anda kullanılan şifreleme yöntemlerinin çoğunu kırabilir ve bu da kuantum güvenli şifreleme ihtiyacını daha da artırır. 

Mevcut endüstri kullanım örnekleri

Henüz erken aşamalarında olsa da kuantum bilişim, çeşitli kullanım durumlarında şimdiden umut verici sonuçlar göstermiştir: 

İlaçlar

Araştırma ve geliştirmede, yeni bir ilacı pazara sunma süreci on yıla kadar sürebilir ve ortalama 2 milyar dolara mal olabilir. Ancak kuantum hesaplama bunu önemli ölçüde hızlandırabilir. Dahası, bunu daha hedefli ve hassas hale getirebilir. 

Kuantum hesaplama, hedef belirleme, ilaç tasarımı ve toksisite testlerini deneme yanılmaya daha az bağımlı hale getirir. Bu da ürünlerin daha hızlı geliştirilmesini ve doğru hastalara ulaştırılmasını sağlar.

Finans

Benzer bir şekilde, kuantum hesaplama karmaşık finansal modelleri verimli bir şekilde simüle ve analiz edebilir. Günler hatta haftalar süren bir çalışma artık saatler hatta dakikalar alıyor.

JPMorgan Chase, 2020 yılında teknolojinin finans alanındaki potansiyelini keşfetmek için bir kuantum bilişim girişimi başlattı. Laboratuvarın odaklandığı ana alanlar, finansal sistemlerin doğru tahminleri ve kurcalamaya dayanıklı kuantum ağlarıdır.

Karmaşık üretim

Teknoloji, karmaşık bir üretim sürecinde ürün arızalarının temel nedenlerinin belirlenmesine yardımcı olabilir. Bu şekilde kuruluş, ürün arızası olaylarına katkıda bulunan sürecin tam olarak hangi kısmını bilecektir. 

Örneğin, mikroçipler gibi ürünler için üretim süreci binlerce adımdan oluşabilir. Kuantum bilişimin kullanılmaya başlanmasıyla birlikte üreticiler sadece maliyetli arızaları önlemekle kalmayıp aynı zamanda verimliliği de artırabilir. 

Otomotiv

Kuantum hesaplama araç tasarımına da yardımcı olur. Özellikle, yakıt verimliliğini artırabilecek ve emisyonları azaltabilecek hafif, yüksek mukavemetli malzemelerin geliştirilmesine yardımcı olur. Otomotiv endüstrisi elektrikli ve hibrit araçlara doğru kaymaya devam ettikçe, daha önemli bir rol oynayacaktır.

Mobilite ve trafik yönetimi, kuantum bilişimin değer sağlayabileceği bir başka alandır. Örneğin, gerçek zamanlı rota planlaması yapmak ve tıkanıklığı azaltmak için yol koşulları, hava durumu ve trafik düzenleri gibi faktörleri dikkate alabilir.

Önümüzdeki on yıl içinde gerçekleşecek gelişmeler

“Yaklaşık 2030 yılına kadar, kuantum hesaplama kullanım durumlarının kuantum ve geleneksel yüksek performanslı hesaplama arasında bir hibrit işletim modeline sahip olacağına inanıyoruz. Örneğin, geleneksel yüksek performanslı bilgisayarlar kuantumdan esinlenen algoritmalardan faydalanabilir,” diye yazıyor Xanadu Quantum Technologies’den Juan Miguel Arrazola. 

Hibrit model bir yana, önümüzdeki on yıl bu son teknoloji alanında hızlı bir ilerleme dönemi olacağa benziyor. İşte dikkat etmeniz gereken birkaç gelişme: 

• Artan kübit sayısı – Tutarlılığı korurken bir sistemdeki kübit sayısını artırmak, mevcut en büyük zorluklardan biridir. IBM ve Google düzinelerce kübite sahip kuantum sistemleri üzerinde çalışıyor. Gelecekte bu sayı yüzlerce hatta binlerce olabilir.
• Geliştirilmiş hata düzeltme – Araştırmacılar, çevresel gürültü ve bozunmaya rağmen bilginin bütünlüğünü koruyabilen daha iyi hata düzeltme teknikleri geliştirmektedir. 
• Kuantum kriptografi – Piyasaya sürüldüğünde, kuantum kriptografi mesajların gizliliğini garanti etmek için atom altı parçacıkların davranışını kullanacaktır. Sistemi değiştirmeden gözlemlemek mümkün olmayacaktır.
• Yeni pratik uygulamalar – Malzeme bilimi, tedarik zinciri, hava tahmini ve daha birçok alanda kuantum bilişimin daha pratik uygulamalarını görmeyi bekleyebilirsiniz.

Kuantum bilişim dünyayı nasıl değiştirecek?

Bundan on yıl sonraki hayali bir dünyada, büyük bir enerji şirketi kuantum bilişim teknolojisine yatırım yapar. Enerji talebini gerçek zamanlı olarak tahmin edebilen ve enerji dağıtımını optimize edebilen bir kuantum algoritması geliştirdiler. Bu da karbon ayak izinde ve enerji maliyetlerinde önemli bir azalmaya yol açıyor.

Şirket ayrıca rüzgar türbinlerini ve güneş panellerini yerleştirmek için kuantum hesaplamayı kullanmak üzere yenilenebilir bir enerji sağlayıcısı ile ortaklık kuruyor. Kuantum algoritması rüzgar hızını, güneş yoğunluğunu ve araziyi dikkate alır ve en verimli yerleşimi belirler.

İşte başka bir senaryo: Bir şirket yeni, kuantuma dayanıklı bir şifreleme algoritması geliştiriyor. Bu algoritma çok çeşitli şifreleme senaryolarını simüle edebilir ve geleneksel hesaplama yöntemlerinin tespit edemediği zayıflıkları belirleyebilir. Bu buluş daha sonra dünya çapında hükümetler, finans kurumları ve şirketler tarafından benimsenir ve yeni bir güvenli iletişim ve veri depolama çağını başlatır.

Kuantum bilişimle ilgili endişelerin giderilmesi

Yaygın olarak benimsenmeden önce ele alınması gereken birkaç endişe var: 

• Güvenlik – Kuantum bilişim potansiyel olarak mevcut şifreleme standartlarını kırarak hassas verileri tehlikeye atabilir. Neyse ki araştırmacılar yeni şifreleme tekniklerini araştırıyor.
• Donanım sınırlamaları – Bu bilgisayarlar son derece soğuk sıcaklıklar ve ortamları üzerinde hassas kontrol gerektirir. Ancak zamanla donanım daha istikrarlı ve daha az talepkar hale gelebilir. 
• Yazılım sınırlamaları – Kuantum sistemlerinin benzersiz özellikleri yazılım geliştirmeyi daha zor hale getirir. Profesyoneller, artan ihtiyaçlara uyarlanabilen programlama dillerini geliştirmek için çaba sarf ediyor.
• Yetenek açığı – Bu endişeyi gidermenin bir yolu, yeni nesil kuantum uzmanları için eğitim ve öğretim programlarına yatırım yapmaktır.
• Etik kaygılar – Her yeni teknolojinin kötüye kullanılma riski vardır. Bu nedenle, etik kuralların ve düzenlemelerin oluşturulması, sorumlu kullanımın sağlanması için çok önemli olacaktır.

Kuantum bilişimin olgunlaşmasına hazırlanmak için atılacak adımlar

Kuantum bilişim yeni bir gelişim aşamasına girmeye hazırlanırken McKinsey, kuantum bilişim sektörü dışındaki liderler için beş adımlık bir eylem planı paylaşıyor:

1. Sektördeki gelişmelerden haberdar olun ve kuantum bilişim uzmanlarının kuantum bilişim uygulamalarını analiz etmesini sağlayın. Ek olarak veya alternatif olarak, dışarıdan araştırmacılarla işbirliği yapın ve bir kuantum hesaplama konsorsiyumuna katılın.
2. Sektörünüzdeki temel riskleri, aksaklıkları ve fırsatları araştırın.
3. Bilgi ve yeteneğe erişimi artırmak için yazılım şirketlerine yatırım yapmayı düşünün. Daha uygulamalı bir yaklaşım için onlarla ortaklık kurun.
4. Şirket içinde uzmanları işe almak operasyonlarınızı bir üst seviyeye taşıyabilir. En fazla üç uzmandan oluşan kompakt bir ekip, potansiyel kullanım durumlarını araştırmak için yeterlidir. 
5. Kuantum bilişimin temel operasyonel taleplerini karşılayan dijital bir altyapı oluşturmak. Bu, ilgili verilerin dijital veri tabanlarında mevcut olmasını sağlamayı ve geleneksel bilgi işlem iş akışlarını daha güçlü donanımlar için yapılandırmayı içerir.

Sonuç

Kuantum bilişim, mevcut kullanım örneklerinin de kanıtladığı gibi, problem çözmede devrim yaratma potansiyeline sahiptir. Teknoloji, hesaplama gücünü katlanarak artırıyor ve daha önce çözülemeyen karmaşık sorunlara çözüm sağlıyor. 

Yakın gelecekte tıp, finans, iklim bilimi, kriptografi, enerji ve daha birçok alanda kuantum hesaplama konusunda daha fazla gelişme bekleyebilirsiniz. Ancak bu arada bu alanların da üzerlerine düşeni yapmaları, yani gelişmiş altyapı, donanım ve yazılım gereksinimlerini karşılamaları gerekiyor. 

Kaynaklar:

Kuantum bilişimi nedir? Amazon AWS

Kuantum bilgisayarı geliştirmek için dünyayı değiştiren yarış, The New Yorker

Kuantum bilişim kullanım durumları – bilmeniz gerekenler, McKinsey 

Kuantum bilişim geliyor. Ne yapabilir ki? Harvard Business Review