Kuantum Arama Algoritmaları, fizikçilerin, ölçeklenebilir bir cihazda nasıl yürütüleceğini göstermiş oldukları, değiştirilebilir hesaplama yüzüdür.
Grover Algoritması
1996’da New Jersey’deki Bell Labs‘taki Lov Grover adlı bir bilgisayar bilimcisi bir veritabanında arama yapmak için alışılmadık bir algoritma ortaya çıkardı. Arama algoritmaları bilgisayar bilimlerinde en önemliler arasındadır. Telefon defterleri aracılığıyla avlanmak gibi olası sıradan görevleri yerine getirirken, aynı zamanda kriptografik kodları kırmak gibi egzotik görevleri yerine getiriyorlar. Bu tür bir algoritma, bilgisayar bilimlerinde her yerde bulunur.
Dolayısıyla görevi hızlandırmanın herhangi bir yolu çok önemlidir. Standart bir arama, aramanın içindeki öğe sayısıyla kabaca orantılı olan bir süre alır. Bunun nedeni, en kötü senaryoda algoritmanın yalnızca bir öğe bulmak için tüm öğeleri araması gerektiğidir.
Ancak Grover’ın algoritması farklı. Gereken süre, eleman sayısının kareköküne orantılıdır. Bilgisayar bilimcileri bunu kuadratik bir hızlandırmayla adlandırıyor. Yüzde birkaç parçanın hız artışı çok değerli olduğu bir dünyada, kuadratik bir hızlanma, büyük bir başarıdır.
Grover’ın kanıtı, kuantum mekaniğinin arkasındaki garip ama güçlü fikirleri kullanmaktı. Klasik dünyada bitler sadece 0 ve 1’dir. Fakat kuantum dünyasında, tek bir kuantum biti veya kbit, aynı anda 0 ve 1 olabilir.
Anahtarların üst üste binmesi gibi; bu durumdaki bir algoritma hem 0 hem de 1’i aynı anda arayabilir. Birden fazla öğeyi aynı anda arayabildiğinden, bir kuantum algoritması, klasik fizik hızıyla sınırlanan bir algoritmadan çok daha hızlı bir şekilde listede arama yapabilir.
Kuantum algoritmaları, bir kuantum bilgisayarla hayata geçirilmelidir ve 1996’da Grover çalışmaları yaptığında bunlar uzak bir rüyadan başka bir şey değildi. Ancak atılım hızla gerçekleşti. Fizikçiler 1998’de ilk ilkel kuantum bilgisayarını gösterdiler ve aynı yıl Grover’ın algoritmasını nasıl yürütebileceklerini gösterdi.
Fakat bu kuantum hesaplama biçimi son derece sınırlıydı. Birkaç kbitte çalıştı ancak prensip olarak, daha büyük hesaplamalara kadar ölçeklenemedi. Ölçeklenebilir kuantum bilgisayarların oluşturulması ve sergilenmesi problemi o günden beri disiplini sarsar.
Şimdi, yaklaşık 20 yıl sonra fizikçiler, ölçeklendirme potansiyeline sahip olan ve daha güçlü hesaplamalar yapabilecek kuantum bilgisayarları tam üretime başlatacaklar.
Bugün ise Maryland Üniversitesi‘nden Caroline Figgatt ve arkadaşları, Grover’ın algoritmasını ölçeklenebilir bir kuantum bilgisayarda ilk kez uyguladıklarını söylüyorlar.
Bu çalışma, kuantum hesaplamaların daha çok hızlandığını ve algoritma ile kod çözme gibi gerçek zorlukları çözebilecek daha iddialı çalışmaların yolunu gösteriyor.
Figgatt’ın çalıştığı kuantum bilgisayar, bir elektromanyetik alanda asılı beş ititeryum iyonundan oluşur. Her iyon, yukarı veya aşağı doğru yönlendirilebilen ve bir lazerle birinden diğerine geçebilen, küçük bir mıknatıs gibidir. Bu şekilde, her iyon bilgi depolayabilir: örneğin spin için 1, spin için 0. Bunlar kuantum nesneler oldukları için, iyonlar bu grupların (devletlerin) bir birleşimiyle var olabilirler.
İyonlar ayrıca, pozitif yükleri ile bağlantılı itme kuvvetleri vasıtasıyla birbirleriyle etkileşime girer. Bu etkileşim, bir kbitin bilgiyi işlemek için bir başka kbitle etkileşime girmesine izin verir. Kuantum hesaplamanın özü budur. Bu hesaplamadaki basamakların sırası kuantum algoritması, bu durumda Grover’in algoritmasıdır.
Figgatt ve ekibi, bir veritabanında sekiz maddeyi saklayabilen üç kbit kuantum bilgisayar oluşturmak için sistemlerini kullanıyorlar. Böylelikle Grover’ın algoritması, ortalama olarak en az sekiz bit gerektiren klasik bir bilgisayardan çok daha hızlı bir öğe bulmayı mümkün hale getiriyor. Figgatt “Tutulan atom iyonlarının ölçeklenebilir kuantum hesaplama teknolojisini kullanarak, klasik performansın üzerinde bir performansla, üç kbitlik bir Grover Arama Algoritması için sonuçları rapor ediyoruz. Bu, diğer kuantum algoritmaları için bir alt program olarak (devrenin kullanılması da dahil olmak üzere) kuantum bilgisayarlarda daha büyük problemleri çözmede, Grover Arama Algoritmasının yaygın kullanımı için, bir yol açıyor” diyor.
Ticari Boyutu
Ancak bu çalışma aynı zamanda güçlü kuantum bilgisayarlar oluşturmak için yarışa ilginç bir bakış sunuyor. Bu yarışın galibi muhtemelen devasa maddi ödüller kazanacak, ancak kimse hangi teknolojinin en iyi olduğunu kesin olarak bilememekte.
Bu dünya, Google ve Lockheed Martin gibi şirketlere görünüşte güçlü kuantum bilgisayarları satan D-Wave Systems adında bir Kanada şirketi tarafından şimdiden kargaşaya yol açmış gibi. Bu bilgisayarlar, diğer herhangi bir teknolojiden çok daha fazla 1.000 kbit ile çalışırlar.
Ancak birçok teorisyen, D-Wave’in iddialarının aşırı olduğunu ve makinelerinin diğer kuantum bilgisayarların yapabileceği hesaplama gücüne yakın, herhangi bir yerden üretim yapamadığını söylüyor.
Bu nedenle birçok grup, kuantum bilgilerinin depolandığı ve işlendiği şekilde önemli ölçüde farklı olan diğer kuantum teknolojilerini ticarileştirmeye çalışıyor. Bunlar, kuantum teklifini yapmak için fotonlar, elektronlar, atomlar, iyonlar ve moleküllere çeşitli şekillerde güveniyorlar.
Bu tekniklerden en eski ve en gelişmişlerinden biri de iyon tuzak kuantum hesaplamacılığı’dır. Maryland Üniversitesi bu alanda dünya lideridir. Gerçekten de, grubun lideri Chris Monroe’nin, bu teknolojiyi ticarileştirmeyi amaçlayan IonQ adlı yeni bir şirketi var.
Dolayısıyla Grover’ın algoritmasını uygulayabilen, ölçeklenebilir bir kuantum bilgisayarın gösterimi, yalnızca üç kbit’lik olsa da, bir ışık olarak görülebilir.
1998’de Grover algoritmasının ilk uygulamasından sonra, fizikçilerin bir sonraki adım olan ölçeklenebilir bilgisayarlar yapmanın ne kadar süreceği konusunda bir dizi görüşleri vardı. Bir takım yeni teşebbüsler iyimser tahminlere dayalı olarak, usulüne uygun kurulmuş ve çökmüştür. Fakat, o zamanlar, 20 yıl, tahminler yelpazesinin kötümser sonuydu. Bu kadar uzun sürmesi, görevi zorlaştırıyordu.
Evreni kuantum ölçeğinde kontrol etmek zordur. Teknolojiciler ve girişim kapitalistleri için şimdi bir sorun ortaya çıkıyor: Teknolojik ilerleme oranının önemli ölçüde hızlanıp hızlanamayacağı?
