Çalışmadan Hesap Yapan Kuantum Bilgisayar Verimlilik Rekoru Kırıyor

Kuantum etkilerine bağlı olarak, çalışmadan hesaplama yapan bir kuantum bilgisayar yapmak mümkün. Bilimciler “çalışmadan çalışan bilgisayar” kavramını şöyle açıklıyor: Hesaplama sonucu, bilgisayarı ge..
Görsel Telif:

Kuantum etkilerine bağlı olarak, çalışmadan hesaplama yapan bir kuantum bilgisayar yapmak mümkün. Bilimciler “çalışmadan çalışan bilgisayar” kavramını şöyle açıklıyor: Hesaplama sonucu, bilgisayarı gerçekten çalıştırmadan öğrenilebilir. Ancak şimdiye değin “karşı-olgusal hesaplama (İng. counterfactual computation – CFC)” adı verilen bu sürecin verimi %50’yi aşamıyordu. Bu nedenle pratik uygulama alanı oldukça dardı.

Geçtiğimiz günlerde konuyla ilgili olarak Physical Review Letters dergisinde yayımlanan bir makalede, Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden Prof. Jiangfeng Du ve Yale Üniversitesi’nden Prof. Liang Jiang liderliğinde gerçekleştirilen bir araştırmanın sonuçları paylaşıldı. Buna göre yeni bir yöntemle yüksek verimlilikli karşı-olgusal hesaplama yapılabiliyor. Araştırmacılar, deneysel delillerini sundukları bu farklı yöntemi “genelleştirilmiş CFC” olarak adlandırıyor ve veriminin %85 civarında olduğunu belirtiyorlar. Dahası, verimi %100’e yükseltme potansiyeli mevcut. Bu sayede çok çeşitli uygulamaların gerçekleştirilmesinin yolu açılmış olacak; kimi durumlarda tek bir fotona kadar düşebilecek düşük-ışık medikal X-ışınları ya da narin biyolojik hücre ve proteinlerin görüntülenmesi gibi.

Karşı-olgusal Hesaplama Nasıl İşliyor?

“Yüksek verimlilikli CFC’yi mümkün kılmanın anahtarı, genelleştirilmiş CFC protokolünün kullanımının yanı sıra, egzotik kuantum özelliklerinden (kuantum süperpozisyon, kuantum ölçüm ve kuantum Zeno etkisi gibi) yararlanmakta yatıyor,” diyor Profesör Du. Bilimcilerin “çalıştırmadan” sözcüğüyle ifade ettikleri durum şu: Ya bir “açık” alt-uzayda ya da bir “kapalı” alt-uzayda işlem yapabilen bilgisayarın, tüm hesaplama boyunca kapalı alt-uzayda kalıyor olması. Fiziksel olarak bilgisayarı kapalı alt-uzayda tutmak demek, bir elmas sisteminin spin özelliklerini kontrol etmekle ilgili oluyor. Bu da bir kuantum açma-kapama düğmesi görevi görüyor. Spinlerden bazılarının süperpozisyon durumunda tutulması gerekiyor; yani aynı anda iki durumda birden bulunuyorlar. Fizikçiler spin süperpozisyonunu kontrol etmek için kuantum Zeno etkisinden yararlanıyorlar. Buna göre, sık yapılan ölçümler sistemin o anki durumunun “donmasını” sağlayabiliyor. Sisteme bir dizi atım uygulayarak, bilimciler sistemi kapalı alt-uzayda tutabiliyor ve çalışmamasını sağlıyorlar.

“Bu işlem bir kuantum açma-kapama düğmesi ile bir kuantum kayıt cihazından oluşuyor. Her bir yinelemede, kuantum açma-kapama düğmesini iki eşdurumlu (İng. coherent) bileşenin (“açık” ve “kapalı”) ikisini birden içeren bir kuantum süperpozisyon durumuna getiriyoruz. Ardından algortima, yani bu durumda kuantum kayıt cihazı üzerinde bulunan bir DEĞİL kapısı (İng. NOT gate) “açık” alt-uzay üzerine uygulanıyor. Her ne kadar bu adımda bilgisayar çalışmış gibi görünse de, sonuçta alınan izdüşümsel bir ölçüm “açık” alt-uzaydaki tüm değişimleri yok ediyor. Bunun nedeni, sistemin bütününün ölçüm sırasında “kapalı” alt-uzaya çökme olasılığının aşırı büyük (yinelemeler sonsuza yaklaşırken, kuantum Zeno etkisi uyarınca %100’e gidiyor) olmasından kaynaklanıyor,” diyor Jiang.

Araştırmacılar “açık” ve “kapalı” durumların bir interferometredeki iki ayrı yol olarak düşünülebileceğini belirtiyorlar. Bir foton iki yoldan birini seçebilir; ancak ikisini birden değil. Jiang durumu şöyle açıklıyor: “İki yollu interferometreden geçen bir fotonun durumu buna çok benziyor. Yollardan birindeki bir dedektör fotonu yakaladığında, fotonun diğer yoldan geçmediğini söyleyebiliriz. Benzer şekilde, sistemin bütünü “kapalı” alt-uzaya çöktüğünde, bilgisayarın çalışmamış olduğu sonucuna varılabilir. Her yinelemeden sonra durum hafifçe değişir. En sonunda başlangıç değerinden çıkılarak yapılan N yinelemenin ardından belli bir başka değere dönüşür. Bilgisayarın durumunu algılayarak, bilgisayarda programlanmış olan bilgiyi elde ederiz; bilgisayar çalışmamasına rağmen.”

Verimlilik Sınırını Aşmak

Daha önceki deneysel CFC protokollerinin yüz yüze kaldığı karşı-olgusal verimlilik limiti %50 civarındaydı. Burada karşı-olgusal verimliliğin tanımı “bir hesaplamanın sonucunu bilgisayarı çalıştırmadan öğrenmenin ortalama olasılığı” biçiminde yapılıyor. Fakat ilk olarak G. Mitchison ve R. Jozsa tarafından 2001 yılında ortaya atılan (Counterfactual computation) genelleştirilmiş CFC yöntemi bu limitle sınırlı kalmıyor. Yapılan son araştırmadan elde edilen deneysel veriler de 17 atım tekrarında verimin %85 civarında olduğunu gösteriyor.

Makale yazarlarından Chenyong Ju, eski CFC protokolü ile genelleştirilmiş CFC arasındaki ana farkın, genelleştirilmiş CFC yönteminde “kapalı” alt-uzayın algoritma (Ur) seçimine bağlı olması olduğunu vurguluyor. Çünkü önceki kontrollü-Ur CFC yönteminde “kapalı” alt-uzay bağımsız oluyordu. Bunun sonucunda da genelleştirilmiş CFC protokolündeki her bir “kapalı” alt-uzayın hacimleri toplamı -ki karşı-olgusal verim ile doğrudan ilişkilidir- kontrollü-Ur CFC yönteminde olduğundan çok daha büyük oluyor.

Bu yöntemin veriminin artmasıyla beraber, hem verimi yüksek hem de çok düşük-ışıklı görüntüleme tekniklerinin geliştirilmesinin önü açılmış oluyor. Söz konusu teknolojinin önemi, görüntüleme amacıyla gönderilen ışık tarafından zarar görebilecek denli hassas maddelerin (özellikle biyolojik örneklerin) incelenmesi açısından büyük. Geliştirilebilecek uygulamalardan bazıları lazer ışığı altında beyazlaşan yeşil floresan proteinlerin görüntülenmesi, hücrelerin UV imajlarının oluşturulması ve güvenli X-ışın görüntüleme teknikleri olabilir. Kimi durumlarda bu uygulamalar sadece tek bir foton kullanılarak gerçekleştirilebilir.

“Tek bir fotonun kullanımı, görüntülenecek nesnenin sadece bir pikselinin saydam, diğer piksellerinin ise opak (ışık geçirmez) olduğu özel durum için,” diyor araştırmacılardan Fei Kong. “Nesnenin bizim protokolümüz ile görüntülenmesinde bir fotonun opak bir piksel tarafından soğurulduğu durum, bilgisayarın “açık” alt-uzaya dönüşmesine benzetilebilir. Böyle bir süreçten bizim protokolümüzde etkin bir biçimde kaçınılır. Foton eninde sonunda saydam pikseli bulup içinden geçer. Altta bulunan bir algıç (dedektör) ile bu pikselin konumu saptanabilir ve böylece görüntüleme tek bir foton ile başarılmış olur. Gereken foton sayısı saydam piksel sayısı ile orantılı olup, normal görüntüleme yöntemleri bundan çok daha fazla sayıda foton gerektirmektedir,” diye ekliyor Kong.

Araştırmacılar ileride karşı-olgusal hesaplamanın iletişim güvenliği alanındaki potansiyel uygulamalarını incelemeyi planlıyor. “Genelleştirilmiş CFC yönteminin daha gerçekçi uygulamalarını araştırmayı iple çekiyoruz,” diyen Du şöyle devam ediyor: “Karşı-olgusal kuantum kriptografi ve iletişim alanında yakın zamanda yapılmış çeşitli çalışmalar var. Karşı-olgusal kuantum görüngüsünü kullanarak, farklı araştırma ekipleri tarafından yeni bir gizli iletişim modeli ortaya atıldı (Counterfactual Quantum Cryptography, Experimental Demonstration of Counterfactual Quantum Communication, Protocol for Direct Counterfactual Quantum Communication). İletilen hiç bir fiziksel sinyal parçacığı yok ve bu nedenle pratik güvenlik avantajları sunuyor. Genelleştirilmiş CFC protokolünün bu alanda ne gibi potansiyeller taşıdığını merak ediyoruz.”

 


Referans: Fei Kong, et al. “Experimental Realization of High-Efficiency Counterfactual Computation.” Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.080501 

Kaynak: Phys.org, “Quantum computer that ‘computes without running’ sets efficiency record”
< http://phys.org/news/2015-08-quantum-efficiency.html >


 

 

Etiket
  • Projelerimizde bize destek olmak ister misiniz?
  • Dilediğiniz miktarda aylık veya tek seferlik bağış yapabilirsiniz.
  • Destek Ol
Yorum Yap (0 )

Yorum yapabilmek için giriş yapmalısınız.

Bunlar da ilginizi çekebilir

Bağış Yap, Destek Ol!
Projelerimizde bize destek olmak isterseniz,
Patreon üzerinden
bütçenizi zorlamayacak şekilde aylık veya tek seferlik bağışta bulunabilirsiniz.
E-Bülten Üyeliği
Duyurulardan e-posta ile
haberdar olmak istiyorum.
Reklam Reklam Ver
Arşiv