Quantum Bilgisayarlar

0
270

Sonsuz Hızda Bilgisayar: Quantum Bilgisayarlar

Kuantum bilişim , süperpozisyon ve dolaşıklık gibi kuantum-mekanik fenomenler kullanılarak hesaplanmaktadır.  Bir kuantum bilgisayar, kuantum hesaplama yöntemi kullanarak hesaplama yapabilen ileri hesaplama yöntemleri geliştirebilen ve çözüm bulan bilgisayarladır. Transistörlere dayalı ikili dijital elektronik bilgisayarlardan farklıdırlar. Yaygın sayısal hesaplama, verilerin her biri her zaman iki kesin durumdan (0 veya 1) birinde olan ikili basamaklara (bitler) kodlanmasını gerektirirken, kuantum hesaplaması, durumların süperpozisyonlarında olabilen kuantum bitlerini kullanır. Bir Kuantum Turing makinesi böyle bir bilgisayarın teorik bir modelidir ve aynı zamanda evrensel kuantum bilgisayar olarak bilinir. 

Tarihçe

Kuantum hesaplama alanı ilk olarak, Paul Benioff ve 1980’de Yuri Manin, 1982’de Richard Feynman, ve 1985’te David Deutsch tarafından başlatıldı. Kuantum biti olarak spinleri olan bir kuantum bilgisayar 1968’de kuantum uzay aralığı olarak kullanılmak üzere formüle edilmiştir.

2018’den itibaren, gerçek kuantum bilgisayarlarının gelişimi hala emekleme aşamasındadır, ancak kuantum hesaplama işlemlerinin çok az sayıda kuantum bitinde gerçekleştirildiği deneyler vardır. Hem pratik hem de teorik araştırmalar devam ediyor ve birçok ulusal hükümet ve askeri kurum, kuantum bilgisayar araştırmalarını, kriptanaliz gibi sivil, ticari, ticari, çevresel ve ulusal güvenlik amaçları için bu bilgisayarları geliştirmek için ilave çabalar için finanse ediyor. IBM’in mevcut küçük denilebilecek 20-qubitlik quantum bilgisayarı var ve IBM kuantum deneyimi projesi ile deneylerde kullanılabiliyor . D-Wave Sistemleri ise “tavlama” sistemli bir kuantum bilgisayarını kendisi için geliştiriyor.

Büyük ölçekli kuantum bilgisayarlar teoriyi, Shor algoritmasını (bir kuantum algoritmasıdır) ve kuantum çok-gövdesinin simülasyonunu kullanarak tam olarak bilinen algoritmaları kullanan en iyi bilinen algoritmaları kullanan klasik bilgisayarlardan çok daha hızlı bir şekilde bazı problemleri çözebiliyorlar. Klasik bir bilgisayar prensipte (üstel kaynaklar ile) kuantum hesaplamasını ve kuantum algoritmasını simüle edebilir. Öte yandan, kuantum bilgisayarlar klasik bilgisayarlarda pratik olarak mümkün olmayan problemleri etkili bir şekilde çözebilir.

Öncü şirket D-Wave Systems, Inc. BurnabyBritish Columbia, Kanada merkezli bir kuantum bilgisayar şirketidirD-Wave, kuantum bilgisayarları satan ilk şirkettir. D-Wave One, D-Wave’in Orion Kuantum Bilgisayarı gibi erken prototipler üzerine kurulmuştur. Prototip-1 16 qubit idi. İlk Quantum hesaplama da 13 Şubat 2007 tarihinde gösterdi. işlemci, Bilgisayar Tarihi Müzesi’ndedir. Mountain View, Kaliforniya. D-Wave, 12 Kasım 2007’de 28-qubit kuantum tavlama işlemcisi yaptığını iddia etti. Çip, Pasadena, California’daki NASA Jet Propulsion Laboratuvarı Microdevices Lab’de üretildi.D-Wave yaklaşımı için altta yatan fikirler yoğunlaşmış madde fiziğinde deneysel sonuçlardan doğmuştur ve özellikle Dr. Gabriel Aeppli tarafından gerçekleştirilen mıknatıslarda kuantum tavlama üzerine çalışılmıştır. Bu fikirler daha sonra MIT fizikçileri Ed Farhi, Seth Lloyd, Terry Orlando ve Bill Kaminsky tarafından 2000 yılında yayınlandı. 2004 yılında kuantum hesaplaması dilinde yeniden düzenlendi. Kuantum manyetizmasında (özellikle adiyabatik kuantum hesaplama modeli ve kuantum tavlama, sonlu sıcaklık değişkeni) daha önceki çalışmasına uyan kuantum hesaplaması için hem teorik bir model hem de yakın bir kuzen olan süperiletken akı kuantları kullanılarak bu fikrin spesifik bir şekilde etkinleştirilmesi D-Wave tasarımlarına üretildi. D-Dalga yaklaşımı ile ilgili tartışmaların çoğunun kökenini anlamak için, Kuantum hesaplamaya D-Dalgası yaklaşımının kökenlerinin, konvansiyonel kuantum bilgi alanından değil, deneysel yoğunlaşmış madde fiziğinden kaynaklandığını belirtmek önemlidir.D-Wave Systems, 11 Mayıs 2011 tarihinde, “dünyanın ilk ticari olarak satılan kuantum bilgisayarı” olarak tanımlanan D-Wave One’ı , kuantum tavlama kullanarak 128- kbit yonga kümesinde açıkladı. Mayıs 2013’te, NASA, Google ve Üniversiteler Uzay Araştırmaları Derneği (USRA) arasındaki bir işbirliği oluşturuldu. D-Wave’in çalışma alanlarının arasına makine öğrenimi de eklendi. Bu yeni versiyon D-Wave-2 512-qubit kuantum bilgisayardır.20 Ağustos 2015 tarihinde, D-Wave one 1000+ qubit kuantum bilgisayar devreye girdi. 28 Eylül 2015 tarihinde NASA Ames Araştırma Merkezi’nde Kuantum Yapay Zeka Laboratuarı’na yerleştirdiğine bunu duyurdu.

Ocak 2017’de D-Wave, D-Wave 2000Q ve Qbsolv’u piyasaya sundu. QUBO problemlerini hem şirketin kuantum işlemcileri hem de klasik donanım mimarileri üzerinde çözen bir açık kaynaklı yazılımdır. D-Wave ayrıca Palo Alto ve Viyana, ABD’de de ofisleri bulunmaktadır.

Bilgisayar sistemleri

Yanda bir örnek tutucuya monte edilmiş, 128- qubit süperiletken adiyabatik kuantum optimizasyon işlemcisi olarak çalışmak üzere tasarlanan D-Wave Systems Inc. tarafından inşa edilen bir çipin fotoğrafı var. İlk ticari olarak üretilen D-Wave işlemcisi, programlanabilir, çift bağlayıcılı eşleştirilmiş süper iletken akı quikslerine sahip süperiletken entegre bir devre idi. 128-qubit işlemci 2013 yılında, ve hemen sonra 512-qubit işlemci devreye girdi.

Orion prototipi

13 Şubat 2007’de D-Wave, California’daki Mountain View’daki Bilgisayar Tarihi Müzesi’nde üç farklı uygulamayı çalıştıran Orion sistemini gösterdi. Bu, sözde bir kuantum bilgisayar ve ilgili hizmetin ilk halk gösterisini işaret etti.

İlk uygulama, desen eşleştirmesinin bir örneği , moleküllerin bir veri tabanı içinde bilinen bir ilaca benzer bir bileşik için bir araştırma gerçekleştirdi. Bir sonraki uygulama, misafirler arasındaki uyum ve uyumsuzluklara bağlı bir olay için bir oturma düzenini hesapladı. Sonuncusu ise bir Sudoku bulmacasını çözmeyi içeriyordu.

D-Wave’in “Orion kuantum hesaplama sistemi” nin kalbinde bulunan işlemciler, genel amaçlı bilgisayar mikroişlemcileri yerine donanım hızlandırıcı işlemciler olarak kullanılmak üzere tasarlandı. Sistem belirli problemleri çözmek için tasarlanmıştır. D-Wave’in kurucusu ve Baş Teknoloji Sorumlusu Geordie Rose’a göre, NP-tamamlama problemleri “büyük, hızlı veya gelişmiş bilgisayarların elde ettiği büyüklükte, tam olarak çözülebilir değil”; Orion sistemi tarafından kullanılan adyabatik kuantum bilgisayar, yaklaşık bir çözümü en hızlı biçimde bulabilmek için tasarlanmıştır.

 

 

Protein yapı tayininde optimizasyon problem çözme:

Ağustos 2012’de, Harvard Üniversitesi araştırmacılarından oluşan bir ekip, kuantum bilgisayarı kullanarak bugüne kadar çözülen en büyük protein katlama probleminin sonuçlarını sunmuştur. Araştırmacılar, bir D-Wave One kuantum bilgisayarında Miyazawa-Jernigan modeli olarak bilinen bir kafes proteini katlama modelini çözdüler.

D-Wave-2

2012 yılının başlarında ise D-Wave Sistemleri 512-qubit kuantum bilgisayar kod adlı bir işlemcisi olarak lanse edildi. Mayıs 2013’te D-Wave için bir danışman olan Catherine McGeoch, teknolojinin, optimizasyon algoritması kullanan sıradan masaüstü bilgisayarlara karşı ilk karşılaştırmasını yayınladı. 439 qubit ile yapılan bir konfigürasyon ile sistem, CPLEX kadar hızlıydı 3,600 kat, geleneksel makinede en iyi algoritmayı gerçekleştirdi, yarım saatte 100 veya daha fazla değişkenli problemleri  çözdü. Sonuçlar Computing Frontiers 2013 konferansında sunulmuştur.

D-Dalga Biri D-Wave 2000Q

D-Wave, 20 Ağustos 2015’te D-Wave 2X bilgisayarının genel kullanılabilirliğini bir Chimera grafik mimarisinde 1.000 qubit ile piyasaya sundu (1,152’den daha az kuronun süperiletken devresi üretimine özgü manyetik ofsetler ve üretim değişkenliği nedeniyle fonksiyoneldir ve kullanıma hazırdır. Verilen toplam bit sayısı, üretilen her bir işlemci ile değişecektir.)Hızları yüksek kaliteli tek dişli CPU’larla karşılaştırıldı.

Önceki yayınlanan raporlardan farklı olarak yeni bir rapor yayınlandı. Bu rapor, kuantum hızlandırma sorununun ele almaya çalıştığı bir şey olmadığını ve klasik donanım üzerindeki sabit faktör performans kazanımlarına odaklandığını açıkça belirtmiştir. Genel amaçlı problemler için, 15x’lik bir hız bildirilmiştir, ancak bu klasik algoritmaların paralelleştirmeden verimli bir şekilde fayda sağladığını dikkate almak gerekir.

D-Wave 2X işlemcisi, yarısı devre dışı bırakılmış 2.048-bitlik bir çipe dayanmaktadır; bunlar D-Wave 2000Q’da aktive edildi. Benzersiz bazı özelliklerini şöyle sıralayabiliriz:

  • “Bit” yerine “qubits” olarak adlandırılan atom orbitleri etrafında inşa ediliyorlar.
  • Ekstreme şartlarda çalışabilirler.
  • Çok zor problemleri çözmek için kuantum algoritmalarını kullanırlar.

Güç ve soğutma

  • “Buzdolabı” kapalı çevrim dilüsyon buzdolabıdır.
  • Süperiletken işlemci ısı üretmez
  • Yıldızlararası boşluktan 180x daha soğuk soğutuldu (0.015 Kelvin) -273 ° C – Mutlak sıfırın üzerinde 0.015 °
Benzersiz İşlemci Ortamı
  • Dünya’nın manyetik alanından 50.000 × daha az korumalı
  • Yüksek vakumda: basınç, atmosfer basıncından 10 milyar kat daha düşüktür.
  • Oda sıcaklığından çipe kadar 200 I / O ve kontrol hatları
  • Sistem 25 kW’dan az güç tüketiyor
  • Güç talebi ardışık işlemci nesilleriyle artmaz
D-Dalga ile işleme
  • Quatt olarak bilinen 2000 minik süperiletken aygıtların bir kafes, kuantum etkilerinden yararlanmak için mutlak sıfıra yakın soğutulur.
  • Bir kullanıcı, “engin bir manzaradaki en düşük enerji noktası” araştırması için bir problem yaratıyor.
  • İşlemci, en düşük enerjiyi ve onu üreten değerleri belirlemek için tüm olasılıkları aynı anda dikkate alır.
  • Optimum cevapları göstermek için ölçeklendirilmiş, kullanıcılara çoklu çözümler döndürülür

Yazılım mimarisi

D-Wave 2000Q sistemi, C / C ++, Python ve MATLAB için kullanılabilen istemci kütüphaneleri ile standart bir İnternet API’sini (RESTful servislere dayanarak) sağlar. Bu arayüz, kullanıcıların sisteme bir ağ üzerinden bir bulut kaynağı olarak veya yüksek performanslı bilgi işlem (HPC) ortamlarına ve veri merkezlerine entegre edilmesine de olanak tanır. Erişim, D-Wave’in barındırılan bulut servisi aracılığıyla da kullanılabilir. Yazılımcılar D-Wave’in geliştirme araçlarını ve istemci kütüphanelerini ve endüstri standardı araçlarını kullanarak mevcut ortamlarında algoritmalar ve uygulamalar oluşturabilirler.

Kullanıcılar sisteme farklı şekillerde problemler gönderebilseler de, sonuçta bir problem, qubitlerin ağırlıklarına ve kuplörlerin gücüne karşılık gelen bir değerler setini temsil etmektedir. Sistem, bu değerleri diğer kullanıcı tarafından belirlenen parametrelerle birlikte alır ve QPU’ya tek bir kuantum makinesi talimatı (QMI) gönderir. Problem çözümleri, bulunan qubitlerin optimal konfigürasyonuna karşılık gelir; yani enerji manzarasındaki en düşük noktalar. Bu değerler ağ üzerinden kullanıcı programına geri döndürülür. Quantum bilgisayarlar deterministikten ziyade olasılıksal olduğu için, sadece en iyi çözümü sunmakla kalmaz, aynı zamanda seçim yapılabilecek diğer çok iyi alternatifler de sağlanabilir. Ayrıca kullanıcılar sistemin geri dönmesini istedikleri çözümlerin sayısını belirleyebiliyorlar.*

*Derleyen: Ali GÖKALP

CEVAP VER

Please enter your comment!
Please enter your name here