Skip to main content

Signals

Kuantum Hesaplama

Yeni nesil bilgisayar teknolojisi

Kuantum bilişimin ortaya çıkışı, kapsamlı ekonomik ve sosyal değişimlere yol açacak bir sonraki büyük teknolojik dönüşümü temsil etmektedir. İşte teknolojiden neler beklendiğine dair kısa bir başlangıç.

Yeni Nesil Bilgi İşlem Teknolojisi

Kuantum hesaplama (QC), kuantum fiziğinden yararlanan yeni nesil hesaplama teknolojisidir.

Klasik hesaplama temel birimi olan bit'e dayanırken, kuantum hesaplama qubit'e ya da qubit'ler arasındaki herhangi bir değere veya bunların herhangi bir kombinasyonuna dayanır.

Bir bit ikili mantığa göre var olurken - ya 0 ya da 1, kapalı ya da açık - bir kübit aynı anda hem 0 hem de 1 durumunda bulunabilir, bu da "süperpozisyon" olarak bilinen bir olgudur".

"Dolanıklık", QC'ye gücünü veren bir başka temel olgudur. İki ya da daha fazla kübit dolaşık olduğunda, bir dişli kutusuna dolanmış çarklar gibi tek bir sistem olarak hareket ederler, böylece bir kübitte yapılan bir değişiklik, dolaşık olduğu diğerlerini de değiştirir. Bu, tek bir işlemin aynı anda birçok kübitin durumunu etkileyebileceği anlamına gelir.

Sonuç, şaşırtıcı derecede daha güçlü yeni bir bilgi işlem türüdür.

2030'a kadar dünya genelinde 2.000 ila 5.000 arasında kuantum bilgisayar olabilir. 2018'de bir düzineden daha az sayıda vardı.

Katlanarak daha güçlü hale gelen bilgisayarlar

1 Kuantum Bilgisayar 512 GPU'dan oluşan bir küme gerektiren bir problemi çözebilir

QC, klasik hesaplamanın çözebileceğinden katlanarak daha karmaşık olan sorunları çözme potansiyeline sahiptir.

1.000 kübitlik bir kuantum bilgisayarı (2-3 yıl içinde ortaya çıkacağı tahmin ediliyor) aynı anda 10³⁰¹ (1'in ardından 301 sıfır gelir) farklı sözde "bilgi durumu" üzerinde çalışabilecektir.

Bu bağlamda bir "durum", belirli bir soruna yönelik olası bir çözüm anlamına gelmektedir. Olası çözümlerin çoğu yanlış olacaktır, bu nedenle ne kadar çok durumu keşfedebilirsek, en iyi çözümü bulma şansımız o kadar artar.

İki Mimari, İki Zaman Çerçevesi

Kuantum tavlayıcılar optimizasyon görevleri için uzmanlaşmıştır. Bir havayolu şirketi böyle bir bilgisayarı, tüm yolcu programlarının karşılanmasını sağlarken yakıt kullanımını en aza indiren optimum bir uçak rotası programı hazırlamak için kullanabilir.

2-5 yıl içinde ticari bir etki yaratmaya başlayacaklar

 

Kapı tabanlı kuantum bilgisayarlar evrenseldir, bu da çok çeşitli problemleri hesaplayabilecekleri anlamına gelir. Gelecekte bir ilaç şirketi, yeni ilaç bileşiklerini simüle etmek için bir tane kullanacak ve sentezlemek ve test etmek zorunda kalmadan milyonlarcasının etkilerini keşfedecek.

7-10 yıl içinde ticari bir etki yaratmaya başlayacaklar

Kuantum Teknolojileri

Süperiletken kübitler

Kuantum bilgisayarların geliştirilmesi için önde gelen teknoloji platformlarından biri. IBM, Google, D- Wave ve diğerleri bunu uygulamaya koyuyor. Süperiletken sistemler, kuantum hesaplama için doğru koşulları yaratmak amacıyla tipik olarak mutlak sıfıra yakın çok düşük sıcaklıklarda çalışır.

Kuantum ağları

Kuantum ağları, kuantum dolaşık bilginin iletişim kanalları üzerinden iletilmesini sağlar. QKD'nin arkasındaki teknolojilerden biridir ve hem gelişmiş güvenlik hem de daha fazla bant genişliği sağlayacaktır.

Kuantum anahtar dağıtımı (QKD)

Kuantum mekaniği bileşenlerini içeren bir kriptografik protokol uygulayan güvenli bir iletişim yöntemi. İki tarafın sadece kendileri tarafından bilinen ortak bir rastgele gizli anahtar üretmesini sağlar; bu anahtar daha sonra mesajları şifrelemek ve şifresini çözmek için kullanılabilir. Snooping veya "man-in- the-middle" saldırılarına karşı savunmasız olma vaadini taşıyor.

Kuantum sensörü

Doğayı alt moleküler düzeyde manipüle etmeye dayanan kuantum fiziği ilkelerini kullanarak mikro yerçekimindeki değişimleri tespit ederek çalışan bir cihaz. Kuantum algılama, sensör teknolojisindeki mevcut sınırları aşmak ve belirsizlik ilkesinden kaçınmak için kuantum dolanıklık, kuantum girişim ve kuantum durum sıkıştırma gibi kuantum mekaniği özelliklerini kullanır.

Kuantum iyon kübitleri

Kuantum iyon tuzakları, kuantum bilgisayarları geliştirmek için kullanılan bir başka teknoloji platformudur. İyonları boş alanda hapsetmek için elektrik-manyetik kuvvet kullanmayı içerir. lonQ bu yaklaşımın önde gelen savunucusudur.

Tavlama mimarileri

Tavlama mimarisi, kuantum sistemindeki en düşük enerji durumunu bulma fikrine dayanan daha basit bir mimaridir. Bu en düşük enerji durumu, bir optimizasyon probleminin optimum çözümüne karşılık gelir.

Kapı mimarileri

Kapı mimarileri, silikon tabanlı merkezi işlem birimlerinin yapı taşları olarak hizmet veren mantık kapılarının kuantum eşdeğerini kullanır. Bu gerçek göz önüne alındığında, kapı tabanlı bir kuantum bilgisayar, en azından teoride, geleneksel bir bilgisayarla aynı problem setini hesaplayabilir.

Fotonik

Fotonik sistemler, kübitlerini oluşturmak için ışık darbelerine ve ışık polarizasyonuna dayanır. Diğer birçok kübit teknolojisinin aksine, oda sıcaklığında çalışma avantajına sahiptirler, ancak süper iletken kübitlerden çok daha yavaş çalışma eğilimindedirler. Xanadu, QC'ye fotonik tabanlı bir yaklaşım izleyen lider şirkettir.

Kuantum sonrası kriptografi (PQC)

Kuantum sonrası kriptografi, kuantum bilgisayarlara karşı dirençli yeni açık anahtarlı şifreleme yaklaşımları için kullanılan ortak bir terimdir. PQC algoritmalarının seçilmesi süreci Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) tarafından yönetilmektedir. Büyük kuruluşların çoğu NIST'in izinden gidiyor.

Bulutta kuantum bilişim

Donanım

Tipik olarak, kalite kontrol ihtiyacı olan şirketlerin kendi bilgisayarları yoktur. Şirket içi kuantum bilgisayarları fikri, birkaç temel nedenden dolayı şu anda pratik değildir:

  • Kuantum cihazları pahalıdır
  • Operasyonları karmaşıktır ve bu nedenle pahalıdır
  • Kuantum cihazlarının üreticilerinden ne kadar sık güncelleme aldığı göz önüne alındığında, tek bir cihazın modası hızla geçecektir

Bunun yerine, kuantum bilgisayarların son kullanıcıları bunlara bulut hizmetleri aracılığıyla erişmektedir.

Şu anda kalite kontrolün bulut üzerinden sağlanmasına yönelik iki yaklaşım bulunmaktadır:

İki Yaklaşımın Artıları ve Eksileri

Tescilli Bulut

Bu yaklaşımda, sağlayıcılar kendi bulut hizmetleri aracılığıyla kendi QC cihazlarına erişim sunar. IBM, IBM Q Network aracılığıyla QC sunan ve bu yaklaşımı izleyen en önemli şirkettir.

Güçlü Yönler

Sağlayıcının mevcut bulut platformu ile kuantum platformu arasında daha sıkı entegrasyon Klasik bulut platformu ile kuantum platformu arasındaki ağ gecikmesinin azaltılması, bu da düşük gecikmeli uygulamalar (dolandırıcılık tespiti gibi) için bir avantaj olacaktır

Zayıf Yönler

Kuantum hesaplama arka uç seçeneklerinin sınırlı olması

Daha kısıtlayıcı ticari modeller için potansiyel

Satıcı kilitlenmesi tehlikesi

Genel Bulut

Bu yaklaşımda, önde gelen bulut hizmetleri üçüncü taraf satıcıların kalite kontrol cihazlarına erişim sağlar. Örneğin Amazon Braket, D-Wave, rigetti, Oxford Quantum Circuits, IonQ ve Xanadu'ya erişim sunuyor ve daha fazlası da yolda. Microsoft Azure Quantum, Quantinuum, IonQ, Quantum Circuits Inc, rigetti, PASQAL, 1QBit, Microsoft QIO ve Toshiba SQBM+'a erişim sunar.

Güçlü Yönler

Bulut sağlayıcının mevcut erişim ve faturalama hizmetlerini ve benzer paylaşılan hizmetleri kullanır

Tipik olarak "kullandığın kadar öde" modeliyle kuantum bilgisayarlara erişim için kolay bir rampa sağlar

Çok çeşitli kuantum bilgisayarlara erişim sağlayarak platformlar arasında karşılaştırma yapılmasına ve eldeki sorun için uygun cihazın belirlenmesine olanak tanır

Zayıf Yönler

Ağ gidiş gelişleri ve kuyruk nedeniyle kuantum cihazına erişimde daha yüksek gecikme eğilimi

Bu da dolandırıcılık tespiti ve yüksek frekanslı ticaret gibi gerçek zamanlı veya düşük gecikme süresi gerektiren uygulamalarda sorunlara yol açmakta ve bu tür uygulamaların pratik olmayabileceği bir noktaya varmaktadır

 

 

Gelecekte, bulut sağlayıcıları kuantum cihazlarını geleneksel CPU ve GPU donanımlarının yanı sıra veri merkezlerinde barındırabilir, böylece gecikme etkilerini en aza indirebilir ve dolandırıcılık tespiti ve yüksek frekanslı ticaret gibi yeni bir yüksek verimli, düşük gecikmeli kuantum-klasik hibrit uygulamalar sınıfını mümkün kılabilir.

Yazılım/API'ler

API'ler ve ilgili SDK'lar açık kaynaklı olma eğilimindedir ve birkaç istisna dışında Python programlama dilinde yazılmıştır.

Her önde gelen QC satıcısı, cihazlarını veya hizmetlerini desteklemek için genellikle kendi API'lerini sağlar.

IonQ gibi bazı satıcılar, kendi özel API'lerini geliştirmek yerine diğer satıcıların API'lerini desteklemeye karar vermiştir. Örneğin IonQ, IBM ve Cirq'ten Qiskit'i desteklemektedir. Bu yaklaşım, örneğin bir IBM kuantum makinesi için Qiskit'te yazılan kuantum algoritmalarının bir IonQ cihazında çalışmak üzere daha kolay taşınmasını sağlar.

Gelecekte, büyük teknoloji/bulut sağlayıcıları (IBM/Amazon/Microsoft) tarafından sağlanan veya zorunlu kılınan ve kuantum bilişim donanım satıcılarının geliştireceği az sayıda standartlaştırılmış API görülecektir.

Finansal hizmetlerdeki uygulamalar

Kalite kontrol alanında liderlik için çabalayan finans kuruluşları, beceri ve yetenek geliştirme ve elde tutmanın kilit bir mücadele alanı haline geleceğini göreceklerdir. Kuantum teknolojilerinin uygulanmasında lider olanlar güvenliklerinin, operasyonel verimliliklerinin ve ürün etkinliklerinin önemli ölçüde arttığını, geride kalanlar ise işlerinin bu yönlerinin erozyona uğradığını göreceklerdir.

Kuantum bilgisayarların günümüzün PKI tabanlı kriptosistemlerinin şifresini en az 10-12 yıl boyunca çözecek kadar güçlü olmasını beklemesek de, kuantum tehditlerine karşı koymak için onları hazırlamak için yapılması gereken önemli çalışmalar var.

Diğer sektörlerde katalizör etkisi

QC, bir dizi başka alanda da potansiyel olarak dönüştürücü uygulamalara sahiptir.

İlaç Keşfi

Kuantum Hesaplama, moleküllerin tanımlanmasını ve simülasyonunu hızlandırarak ilaç keşif sürecini iyileştirecektir. Deneyleri ıslak laboratuarlardan bilgisayarlara taşıyacak ve araştırmacılar, geleneksel bilgi işlemin tasarlaması onlarca yıl sürecek kimyasal kombinasyonlara erişebilecekler.

Siber Güvenlik

Kuantum bilgisayarlar günümüz ağlarının güvenlik omurgasını tehdit etmektedir -RSA açık anahtar kriptografisi. Ancak kuantum teknolojisi aynı zamanda yeni ve daha da güvenli iletişim biçimlerini mümkün kılacaktır.

Lojistik

QC, üretim kapasitesi, coğrafya ve altyapı, hava durumu, yönlendirme, demiryolu ve nakliye hattı kapasitesi ve ötesiyle ilgili benzeri görülmemiş derecede karmaşık veri yığınlarını işleyerek tedarik zincirlerimizi dönüştürecektir.

Otomotiv

QC, uygulanabilir bir otonom araç ekosistemine daha da yaklaştıracaktır. Kuantum destekli yapay zeka ve makine öğrenimi, gerekli algoritmaların öğrenme sürecini hızlandıracaktır. Görüntü sınıflandırması ve 3D nesne tespiti de QC'den faydalanacaktır.

Simülasyon

QC, gerçekliğin modellenmesinde yeni yetenekler sağlayacaktır. Aşırı hava olaylarını daha iyi öngörecek, iklim değişikliğinin haritasını çıkaracak, kentsel gelişimin emisyonları nasıl etkileyeceğini tahmin edecek, nüfus artışını ve daha fazlasını öngöreceğiz.

QC ilgi gördükçe, doğal olarak çok sayıda sektörde kullanım örneklerinin ortaya çıktığını göreceğiz.

YENİ GELİŞEN TEKNOLOJİ

Şu Anda QC'deki Oyuncular

Çeşitli donanım satıcıları, bir dizi farklı temel fiziksel fenomeni kullanarak ve hem evrensel, kapı tabanlı yaklaşımları hem de kuantum tavlama yaklaşımını kullanarak kendi kuantum bilgisayarlarını yaratmaktadır. Bunlar şunları içerir:

Her biri tipik olarak kendi yazılım kütüphanelerini sunan donanım satıcılarına ek olarak (örneğin, IBM qiskit, D-Wave Ocean, Google Cirq), bir dizi saf oyun kuantum yazılım satıcısı da vardır. Bunların arasında:

Kalite Kontrol Pazarında Büyüme

2016

$89M

küresel kuantum bi̇li̇şi̇m pazari

2025

$949M

küresel kuantum bi̇li̇şi̇m pazari (öngörülen)

30% 2017'den 2025'e kadar CAGR

Önümüzde büyük bir potansiyel var

Kuantum bilgisayarlar belirli görevler için uygun olacaktır. Yakın vadede, kuantum bilgisayarlar karmaşık sayısal problemleri çözmede başarılı olacak ve kuantum-klasik hibrit sistemleri mümkün kılmak için mevcut klasik bilgisayarlarla birlikte var olacaktır. Hibritlik önemlidir, çünkü klasik bilgisayarlar kesin ve kuru çıktılar sunarken, kuantum bilgisayarlar olasılık dağılımlarında çıktılar sunar ve daha sonra klasik bilgisayarlar kullanılarak ayıklanması gerekebilecek yanıt kümeleri üretir. Gelecekte, QC dönüştürücü olma potansiyeline sahiptir. Devrim niteliğinde yeni ilaçlar üretmemizi, finansal piyasalarımızın işleyişini optimize etmemizi, ağlarımızı güvence altına almamızı, dünyanın ekolojilerinden küresel arz ve talep ağlarına kadar karmaşık sistemleri anlamamızı ve daha fazlasını sağlayarak belirli alanlarda büyük gelişmeler kaydedecektir. Maksimum etkileri konusunda ise ufuk açık. Sosyal ve ekonomik düzeylerde önemli değişiklikler kapıda: Tıpkı klasik bilgisayarlar gibi, QC de yaşam biçimimiz açısından kapsamlı bir dönüşüm yaratacaktır. Ancak hikaye yazılmaya devam ediyor ve önümüzdeki birkaç on yıl, en iyi zihinlerimizin bu güçlü yeni araçla neler yapabileceğine tanıklık edecek.