Perşembe , 3 Aralık 2020
Kuantum Üstünlük Ne Vakit Geliyor? 1 – kuantum ustunluk ne zaman geliyor 5e0d06af12de6

Kuantum Üstünlük Ne Vakit Geliyor?

Google Ekim ayında kuantum üstünlük yakaladığını öne sürdü. Peki kuantum bilgisayarlar ne vakit tüm web şifrelerini kıracak kadar kuvvetli olacak? İstihbarat dairelerini işinden edecek türden kati kuantum üstünlük mümkün mü? Yoksa siber güvenlik için kuantum bilgisayarların kıramayacağı kadar kuvvetli şifreleme teknikleri geliştirebilir miyiz? Evrende kuantum bilgisayarların asla çözemeyeceği problemler var mı? Bu yazıda kuantum üstünlüğü kişisel veriler, devlet sırları, ticari sırların korunması açısından görecek ve kuantum blokzincire değineceğiz:

Kuantum üstünlük geliyor

Baştan açıklayalım: Kuantum bilgisayarlar gelecekte bugün internette kullanılan tüm şifreleri kıracak kadar kuvvetli olacak. Öte taraftan, kuantum bilgisayarların şimdilik kıramayacağı kadar kuvvetli şifreleme teknikleri de geliştiriliyor. Peki kuantum bilgisayarlar klasik bilgisayarlardan kuvvetli olunca sibergüvenlik ve danışma sektörüne ne olacak?

Gizli saklı ajanları ve interneti gözetleyen NSA benzer biçimde danışma dairelerini emekliye mi ayıracağız? Kuantum bilgisayarlar internetteki tüm şifreleri kıracak kapasiteye erişirse ne olacak? Bugün online reklam çerezleri ve derin paket incelemesi yardımıyla pratikte ortadan kalkmış olan özel hayatın gizliliği tümüyle yok olacak mı? Peki evrende kuantum bilgisayarlarla çözemeyeceğimiz problemler var mı?

Mesela, kuantum bilgisayarlar klasik bilgisayarların bilgi-işlem kapasitesini aşınca insandan üstün süper zeka gelecek mi? Kurzweil’ın teknolojik tekillik hedefi kuantum işlemcilerle gerçekleşecek mi? 10 bin yılda çözülecek problemi kuantum bilgisayarla 200 saniyede çözdüğünü öne devam eden Google, interneti ele geçirip ABD için herkesi daha iyi gözetleyecek mi?

Ekonomiden devlet çıkarlarına ve bilim-teknolojiden transhümanizme uzanan tüm bu soruları yanıtlamak için ilkin kuantum üstünlüğü doğru tanımlayalım. Hayaller yerine gerçeklere bakalım:

Kuantum Üstünlük Ne Vakit Geliyor? 2 – kuantum ustunluk ne zaman geliyor 5e0d06afacfe5

Kuantum üstünlük nedir?

Kuantum üstünlük, kuantum dolanıkla kurulan qubitler yardımıyla yüzde 100 paralel çalışan kuantum bilgisayarların, klasik bilgisayarlardan daha süratli emek vermesi demek değildir. Paralel kuantum bilgisayarlar aslına bakarsanız seri klasik bilgisayarlardan daha süratli çalışıyor.

Sadece, klasik bilgisayar işlemcileri şu anda deneysel kuantum CPU’lardan daha kuvvetli. Öyleyse kuantum üstünlük süratli çalışmak değil, kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarlardan daha kuvvetli olması ve matematik sorunlarını klasik bilgisayarlardan daha süratli çözmesi anlama gelir (bundan dolayı bilgisayar dünyasında her şey matematiktir ve yapılacak işler kodlarla anlatılır).

Özetle kuantum bilgisayarlar uygun matematik sorunlarını daha süratli çalışmış oldukları için daha süratli çözmezler. Bunun yerine birçok alt parçadan oluşan problemlerin (mesela polinomlar) tüm parçalarını aynı anda çözerler. Bundan dolayı klasik bilgisayarlardan daha süratli çalışır benzer biçimde davranırlar.

Kuantum Üstünlük Ne Vakit Geliyor? 3 – kuantum ustunluk ne zaman geliyor 5e0d06b1323ef

Google kuantum üstünlük yakaladım diyor. Kendisi de kuantum bilgisayar geliştiren IBM hayır, yakalamadın diyor.

Kuantum bilgisayar iyi mi çalışıyor?

Bu probleminin detaylı yanıtını yazılımcılara kuantum bilgisayar rehberi ve kutritler ile üç boyutlu kuantum ışınlama başlıklarında bulabilirsiniz. Sadece özetle, kuantum bilgisayarlar qubitlerle çalışan oldukça çekirdekli paralel işlemcilerdir. Her biri ayrı bir kuantum işlemci çekirdeği olan qubitler (kuantum veri bitleri) kuantum dolanıkla kurulur.

Dolanıklığın ayrıntılarını da gözünüz 12 milyar yıllık ışıkla dolanık ve kuantum silgisi ile zamanı silmek mümkün mü? yazılarında anlattım; fakat özetlersek: Kuantum fiziğinde tam dolanıklığa sokulmuş bir parçacığın spin (kendi çevresinde dönme yönü) benzer biçimde bir kuantum durumunu değiştirirseniz dolanık eşinin kuantum durumu da aynı anda değişecektir.

Mesela, iki elektronu birbiriyle dolanıklığa sokar ve birini sağa doğru döndürürseniz diğeri de aynı anda sola doğru dönmeye başlayacaktır ki benzer bir etkileşim fotonlar için de geçerlidir. Nitekim deneysel kuantum bilgisayarlar elektronlar ve fotonlarla çalışıyor.

Kuantum Üstünlük Ne Vakit Geliyor? 4 – kuantum ustunluk ne zaman geliyor 5e0d06b2039a5

Kuantum bilgisayarlar dolanıklık oluşturmak için mutlak sıfıra yakın soğutulmayı gerektiriyor. Fotoğrafta soğutma borusu (işlemciler borunun içinde).

Google’ın kuantum bilgisayarı

Google’ın kuantum üstünlük yakaladığını öne sürdüğü D-Wave Vezüv serisi kuantum bilgisayar da elektronlarla ve kuantum halkalama tekniğiyle çalışıyor. Öyleyse qubitler iyi mi çalışıyor?

Kuantum bilgisayarlarda dolanıklığa sokulmuş parçacık çiftlerine qubit diyoruz. Bu kuantum bitler klasik mantık devreleri benzer biçimde yalnız 1 ve 0 değerleri (açık yada kapalı) almıyor. Bununla beraber 0,4 benzer biçimde ara değerler de alabiliyor (1 ve 0 kombinasyonları). Kuantum bilgisayarların paralel emek verme özelliği buradan geliyor:

Her qubite 2 veri biti kodlayabilirsiniz ki ilk bakışta bunda garip bir şey yoktur. Sadece, qubit sayısını artırmaya başladığınızda kuantum işlemcilerin bilgi-işlem kapasitesinin katlanarak arttığını görürsünüz. Mesela 2 qubit 22 bit=4 bitle işlem yapar; sadece 3 qubit 23 = 8 bitle çalışır ve 2n-1 formülüyle bu bu şekilde sürer gider.

Kuantum Üstünlük Ne Vakit Geliyor? 5 – kuantum ustunluk ne zaman geliyor 5e0d06b37c37e

İnsan beyninin işlem gücü 10^12 ila 10^28 flop olarak tahmin ediliyor. En kuvvetli süper bilgisayar +148 x 10^15 flop ve Google’ın kuaatum bilgisayarı (bir ihtimal) 10^15 flop gücünde.

Gerçek kuantum üstünlük nedir?

Google 54 qubit ile kuantum üstünlük yakaladığını söylemiş oldu. Öyleyse Google’ın kuantum bilgisayarı 254-1 bit işlem kapasitesine haizdir ve ilk bakışta bu müthiş bir sayıdır!

Karşılaştırma açısından: 18 Haziran 2019 itibariyle dünyanın en kuvvetli süper bilgisayarı olan ABD, Oak Ridge National Laboratory’s (ORNL) Summit’in işlem kapasitesi ortalama +148 petafloptur (saniyede +148 x 1015 gezer nokta işlemi, flop).

Oysa bu örnekte veri bitlerini floplarla (floating point ops) karşılaştırdık. Bu da pek doğru bir karşılaştırma olmadı; bundan dolayı flop ölçü birimi bitin dengi değildir. İkisi değişik şeyleri ölçer. Sadece, kuantum üstünlük konusunu idrak etmek için tam da bu denksizliğe dikkat etmek gerekiyor:

Ilk olarak 254-1 bitin tamamını floplara çevirebildiğimizi (doğrusu bu bitlerin tümüyle hatasız işlem yapabildiğimizi) varsayarsak 254-1 bit ortalama 1015 flopa (1 petaflop) karşılık geliyor. Bu da kuantum üstünlük açısından pek etkisi altına alan bir sayı değil. Öyleyse Google kuantum üstünlük elde etti mı, elde etti mı?

Kuantum Üstünlük Ne Vakit Geliyor? 6 – kuantum ustunluk ne zaman geliyor 5e0d06b609858

Kuantum üstünlüğe giden uzun, ince yol.

Google kuantum üstünlük yakalamadı

Bunun da birkaç sebebi var: Ilk olarak kuantum üstünlük maalesef Google reklamlarına araç-gereç oldu. Bu terim kamuoyuna o şekilde bir sunuldu ki sanki kuantum üstünlük yakalayan ilk şirket süper zekaya dönüşüp dünyanın hakimi olacaktır. Böyle bir durum yok. ?

İkinci olarak Google elektronlarla çalışan kuantum bilgisayarlar geliştiriyor. Elektronlar kütleli parçacıklardır; doğrusu qubit halinde kuantum bilgisayarda hareket ederken ısınırlar. Bilhassa de Vezüv serisi bilgisayarlardaki kuantum halkalama tekniği buna neden olur. Isınmak ise elektronların rastgele titreşmesi olup dolanıklığın bozulmasıdır. Peki bu ne demek derseniz:

Mesela, Google’ın satın almış olduğu D-Wave şirketinin son geliştirdiği D-Wave 2000Q sisteminde 2000 qubit bulunuyor. Şimdi diyeceksiniz ki “Fakat hocam, bu 22000 bit kapasite anlama gelir. Niçin D-Wave 2000Q bilgisayarı, Oak Ridge Summit süper bilgisayarını kahvaltıda çerez benzer biçimde yemiyor? Süper parlak zeka bilgisayar olarak şuur kazanıp dünyayı ele geçirmiyor?”

İşte kuantum üstünlük konusunu insanlara yanlış tanıtınca kafalar bu şekilde karışıyor. Evet, D-Wave 2000Q sistemi 2000 qubit oluşturabilir. Sadece bunların hepsini aynı anda dolanıklığa sokamaz!

Gerçek kapasite bir ihtimal 254-1

Google da bu yüzden yalnız 54 qubiti birbiriyle dolanıklığa yerleştirip kuantum üstünlük elde ettiğini öne sürdü. Elektronlarla çalışan bu bilgisayar ısınmış olduğu için dolanıklık bozuluyor. Bu da bizzat tasarım sınırlamaları sebebiyle D-Wave 2000Q sisteminin 22000-1 bit kapasiteyle çalışmasını engelliyor. Peki Google en azından iddia etmiş olduğu benzer biçimde 254-1 bit kapasiteyi elde etti mı?

Kuantum Üstünlük Ne Vakit Geliyor? 7 – kuantum ustunluk ne zaman geliyor 5e0d06b701ea8

Rakip şirket IBM’e bakılırsa hayır

IBM kuantum bilgisayar geliştirmek mevzusunda Google’ın rakibi. Google elektronlarla çalışırken IBM fotonlarla çalışıyor. Aslen bir tür hibrit fotonik bilgisayar geliştiriyor (yarıiletken spin qubitleri ve foton dolanıklığı ki ek olarak yazacağım). Nitekim seri çalışan klasik süper bilgisayar Summit de IBM tarafınca geliştirildi. Peki IBM uzmanları Google kuantum üstünlük yakalamadı derken objektif mi?

Aslen IBM, Google’ı karalamaya çalışmıyor. Bir tek Google’ın 200 saniyede yapmış olduğu işlemi klasik bilgisayarların 2,5 günde yapabileceğini ve arada pek de fark olmadığını gösterdiler.3 Google’da buna cevaben 200 saniye 2,5 günden kısadır. Kuantum bilgisayarımız öteki süper bilgisayarlardan süratli dedi.

Kuantum Üstünlük Ne Vakit Geliyor? 8 – kuantum ustunluk ne zaman geliyor 5e0d06b805beb

Kuantum bilgisayarlar kuantum dolanıklıkla çalışıyor.

Öyleyse kuantum üstünlük mümkün mü?

Bugünkü kolay bir laptop 40 yıl önceki süper bilgisayarlardan daha hızlıdır. Bu yüzden gelecekteki kuantum bilgisayarların da daha süratli olacağını ve çözmesi 2500 yıl alacak bir problemi 2 saniyede çözeceğini söyleyebiliriz. Sadece, kuantum üstünlük karşısında bizzat kuantum fiziğinden meydana gelen kuramsal engeller de var:

Mesela matematikçiler kuantum fiziğinin zamanda tersinir olmasından hareketle (kuantum fiziği vakit geçmişe aksa da çalışır) kuantum bilgisayarların, eğer ve öyleyse benzer biçimde koşullu mantık işlemlerini asla yapamayacağını söylüyor.

Nitekim bir algoritmanın trafik tıkanıklığı gibi göreli basit bir problemi nasıl çözdüğünü anlamak için bile çözüme ters mühendislik uygulamak ve rota optimizasyonu probleminin neden-sonuç ilişkisini çözümleme etmek gerekiyor. Açıkçası algoritmanın çözüme iyi mi ulaştığını bilmemiz gerekiyor. İşte bu, kuantum fiziğinin tersinir olması sebebiyle kuantum bilgisayarda ek hafıza kapasitesi gerektiriyor.

Kısacası 2000 qubiti dolanıklığa sokmak yetmez. Bununla beraber bu işlemci kapasitesine denk depolama kapasitesi ve RAM gerekir; bundan dolayı bilgisayarlar değişik parçalarıyla bir bütündür. Dolayısıyla o şekilde problemler var ki eş CPU gücündeki klasik bilgisayarlar, bu problemleri kuantum bilgisayarlardan daima daha süratli çözecektir. O vakit da kuantum bilgisayarlar bu problemlerde kullanılmayacaktır.

Kuantum üstünlük doğru tanımlanmalı

Evrende, en azından bildiğimiz kadarıyla kuantum bilgisayarların asla daha süratli çözemeyeceği problemler vardır. Buna rağmen kutrit yazısında belirttiğim benzer biçimde, tam dolanık qubitler yerine kısmi dolanıklığa dayanan genişletilmiş üçlü bitler, doğrusu kutritlerle çalışan kuantum bilgisayarlar geliştirebiliriz. İşte bunlar kuantumla süratli çözülmez dediğimiz bazı problemleri oldukça süratli çözebilir!

Kuantum Üstünlük Ne Vakit Geliyor? 9 – kuantum ustunluk ne zaman geliyor 5e0d06b8abd7a

Kısacası kuantum üstünlük ölçeklenebilir

Biz 1) IBM’in yapmış olduğu benzer biçimde klasik bilgisayarlarla kuantum bilgisayarları birleştiren hibrit sistemler geliştirirsek oyunun kurallarını değiştirebiliriz; bundan dolayı hem klasik hem de kuantum bilgisayarların avantajlarından yararlanmış oluruz.

Ek olarak 2) Kutritler benzer biçimde üçlü yada daha çok kısmi dolanıklık kurma teknikleriyle aynı anda hatasız dolanıklığa sokabileceğimiz kuantum bit sayısını qubitlerle mümkün olduğundan daha çok artırırsak en azından bugün internette kullanılan tüm şifreleri kırabiliriz.

Öyleyse kuantum üstünlük derken işlemci, RAM, depolama kapasitesi ve GPU benzer biçimde tüm parçalarıyla klasik bilgisayarlardan daha süratli çalışan kuantum bilgisayarlar geliştirmekten söz ediyoruz. Bunu gerçekleştirmeye de en azından 10 yıl var. RAM benzer biçimde değişik parçaları bile kuantum dolanıklıkla çalışan; doğrusu hibrit olmayan katıksız kuantum bilgisayar (fotonik bilgisayar) geliştirmeye ise minimum 30 yıl var.

Düşünün ki flop ölçü birimini bile bilgisayar mimarisiyle işlemcisine bakılırsa 32, 64 ve 80 bit benzer biçimde değişik seviyelerde tanımlayabiliriz. Bu da kuantum bilgisayarların flop kapasitesinin, doğrusu gerçek işlem gücünün tekrardan hesaplanmasını gerektirir. Kuantum üstünlük göreceli bir mevzudur ve birazcık da bakanın gözündedir (bilhassa de kuantum bilgisayarları flopla ölçmek koşul olmadığı için).

Dünya değişecek mi?

Öte taraftan danışma örgütleri, devletler, firmalar, bayağı kullanıcılar ve hackerlar daima için mevcut kuantum bilgisayarlarla kırması oldukça zorluk derecesi yüksek kuantuma dayanıklı şifreleme teknikleri geliştirebilirler. Bundan dolayı siz de danışma dünyası ile dünya düzeninin kuantum bilgisayarlarla asla değişmeyeceğini ve her şeyin eskisi benzer biçimde süreceğini düşünebilirsiniz. Oysa bu da yanlış bakış açısıdır:

Kuantum Üstünlük Ne Vakit Geliyor? 10 – kuantum ustunluk ne zaman geliyor 5e0d06b9667c1

Kuantum üstünlük dünyası geliyor

Iyi mi ki kuantum üstünlük konusunu Google benzer biçimde abartmamak lazım; hem de kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarlar benzer biçimde Moore yasasına doğal olarak bulunduğunu sanma hatasına da düşmemek lazım. Tutucu yaklaşımlar kuantum bilgisayarları olduğundan zayıf sanmanıza neden olur.

Mesela, Türkiye’nin kuantum bilgisayarı yoksa fakat ABD’nın var ise ABD, Türkiye’de kullanılıp da kuantum bilgisayarlara dayanıksız olan tüm şifreleri kırabilir. Kuantum bilgisayarlar en azından Türkiye’nin düzenini bozabilir ve ekonomik rekabet enerjisini azaltabilir. Dolayısıyla kuantum bilgisayarlara şimdiden yatırım yapmalıyız. Dijital dönüşümde bu treni kesinlikle kaçırmamalıyız.

İlgili yazı: Evrenin Şekli Hakkında Kozmolojik Kriz Çıktı

Kuantum-üstünlük-ne-zaman-geliyor

Daha uzun bir süre klasik bilgisayarları kullanacağız.

Kuantum blokzincir

Gene de oyunun kurallarını ve dünya düzenini kökten değiştirecek bir özellik var: 1) Eğer kuantum bilgisayarları hızla ölçeklemenin bir yolunu bulursak, 2) gözetlemeyen kuantum interneti yaygınlaştırırsak, 3) blokzincir uygulamaları ve kriptopara uzlaşısını kuantum süper zekaya devredersek dünya düzeni de değişecektir. O vakit kuantum blokzincir gelecektir.

Normal olarak bugün dünyayı yöneten oligarklar değişen teknolojinin kontrolden çıkıp kendi üstünlüklerini yok etmesine izin vermek istemezler. Öte taraftan, bizlerin de kuantum bilgisayarların gerçek kapasitesini anlayabildiğimizi sanmıyorum; bundan dolayı oldukça kolay bir hata yapıyoruz:

Bugünkü teknolojik sınırlamalara odaklanarak kuantum bilgisayarların gerçek potansiyelini gözden kaçırıyoruz. Oysa bizzat evrendeki nesnel gerçeklik; doğrusu gözle görülür dünya, uzun mesafeli yaygın kısmi kuantum dolanıkla ortaya çıkıyor. Kuantum fiziğinde emsalsiz kabul gören bu matematiksel konjonktüre Kuantum Darwinizm diyoruz.

Öyleki ki kuantum fizikçi ve bilgisayar bilimci Seth Lloyd’un söylediği benzer biçimde, bizzat evren kendi kendisinin simülasyonunu yapan bir kuantum bilgisayar olabilir. Peki bu evrenin kendi varlığının bilincinde olması anlamına gelir mi? İşte o kuantum zekayla süper parlak zeka varlıklara dönüşecek olan geleceğin transhümanistlerinin yanıtlayacağı bir sual olabilir.

Kuantum-üstünlük-ne-zaman-geliyor

Kuantum üstünlük blokzinciri kıracak mı, güçlendirecek mi?

Evrensel kuantum üstünlük

Sadece, yukarıdaki paragrafı sindirerek yine okursak kendimize şunu sormamız gerekir: Evren bir kuantum bilgisayar ise (doğrusu kuantum etkileşimlerini dijital fizikle ifade edebiliyorsak) kuantum bilgisayarların asla halledemeyeceğini öne sürdüğümüz matematik sorunlarını de kuantum evren türetiyor olacaktır. Bu oldukça kuramsal bir sual ve günlük hayatınızı önümüzdeki 30 yılda değiştirmeyecek.

Peki insanlık küresel ısınmaya rağmen hayatta kalmayı başarırsa önümüzdeki 60 yılda ne olacak? 2060 senesinde evrende 2,5 metreküplük bir hacmin femtometre (10-15 m) çözünürlükte simülasyonunu yapabileceğimiz bir dünyada dahi kuantum bilgisayarların çözemeyeceği problemler var diyebilecek miyiz? O vakit da kuantuma dayanıklı şifreleme tekniklerimiz olacak mı?

Söylediğim benzer biçimde, bu iyimser (?) senaryoyu kuantum blokzincir yazısında ele aldım. Sadece, yazıyı bitirirken şunu söyleyebilirim: Doğru bir setup’ta, kuantum bilgisayarların geliştireceği şifreleri sadece o şifreyi geliştiren bilgisayar çözebilir. Bugünkü hibrit bilgisayar ağlarındaki teknik sınırlamaları saymazsak kuantum bilgisayarları ve kuantum interneti gözetlemek imkansızdır. İşte bu yüzden kuantum bilgisayarlar yada hibrit bilgisayarlar dünya düzenini kökten değiştirebilecektir.

Kuantum-üstünlük-ne-zaman-geliyor

Kuantum üstünlük için özetlersek

  • Google hemen hemen kuantum üstünlük elde etmedi.
  • Hemen hemen kuantum bilgisayarlar klasik bilgisayarlardan açık arayla önde değil.
  • Klasik bilgisayarlar kuantum bilgisayarlara özgü problemleri neredeyse onlar kadar süratli çözüyor.
  • Kuantum bilgisayarların kırmasını zorlaştıran web şifreleri şimdilik olacak.
  • Sadece, kuantum bilgisayarlar gelecekte bugün internette kullanılan tüm şifreleri kıracak.
  • Kutrit kısmi dolanıklık ölçeklemesi süper kuantum bilgisayarlar yaratacak.
  • En kuvvetli bilgisayarlar kuantum ve klasik bilgisayarları içeren hibrit sistemlerden çıkacak.
  • En kırılmaz şifreler kuantum şifreler olacak.
  • Hemen hemen kuantum bilgisayarlar iş hayatında işe yarar bir sorun çözemedi.
  • Bununla beraber evren bir kuantum bilgisayar olabilir.
  • Kuantum blokzincir ve kuantum süper zeka uygarlığı kökten dönüştürebilir.

Yeni başlayanlar için kuantum bilgisayar


1Classical Simulation of Intermediate-Size Quantum Circuits
2Breaking the 49-Qubit Barrier in the Simulation of Quantum Circuits
3On “Quantum Supremacy”

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir