Bize Ulaşın

     

Yeni bir bilişim çağına doğru: Kuantum teknolojileri ve kuantum mühendislik

Haklı olarak uzunca bir süreden beri çağımızın bir bilişim çağı olduğu söylenir. Bu sade ve bilgece deyişin sanılandan çok daha fazla ötesi-berisi vardır.

Bilişim (information) terimi; bir sistemin sahip olabileceği veya taşıyabileceği, onda kodlanabilen (yüklenebilen) her türlü bilginin edinilmesi, kullanılması, işlenmesi, aktarılması ve depolanmasıyla ilgili her türlü uğraş ve eylem anlamında kullanılır.

Yukarıdaki tarifte koyu olarak yazılan ve esas bilgi taşıyıcısı olan sistemin niteliği, ilgili bilişim kuramının da niteliğini belirler. Günlük yaşamdaki sıradan işlevleriyle; hava, su ve ışık, bilgi depolama ve işleme özelliği olmayan doğal bilgi taşıyıcı sistemlerdir. Fakat bilişim kuramı anlamındaki sistem; bir biyolojik sistem, herhangi bir organik yapı veya çeşitli elektronik aygıtın bileşimi olan kişisel bilgisayarımız gibi bir karmaşık fiziksel sistem de olabilir. İlk canlı hücrelerin varlığından beri süregelen biyolojik bilişim hâlâ yoğun olarak ve büyük bir heyecanla araştırılmaktadır.

Bu yazıda sadece fiziksel sistemleri temel alan ve kontrolümüz altında geliştirilebilen fiziksel bilişimle ilgileneceğiz.

Klasik mekanik ve kuantum mekaniği
Uygun bir olgunlaşma aşamasından sonra her bilimsel kuram, kesin olarak ispatlanmış veya geçerliliği defalarca sınanmış ve aksi ispatlanana kadar doğru kabul edilen ilke ve kurallar üzerinde inşa edilen bir bilişim kuramına yol açmaya başlar. Bilişim aşaması, söz konusu kuramın artık tam olgunlaşmış olduğunun ilanı, temel yapılarının güçlendirilmesi ve daha kapsayıcı yeni gelişme alanlarının belirlenmesi için de kaçınılmaz doğal bir “şah” hamlesidir.

Bugün tam olgunlaşmış ve şu andaki doğa ve evren anlayışımızı şekillendiren iki hareket kuramına, yani iki mekaniğe sahibiz: klasik mekanik ve kuantum mekaniği.

Algılayabilen en küçük mesafeden gözlemlenebilen en uzak mesafeye kadar, doğanın herhangi bir yerinde herhangi bir andaki fiziksel devinimi, hemen önceki başlangıç değerlerine bağlı olarak bu iki mekaniğin yasa ve kurallarıyla açıklanabilecek şekilde gelişir. Henüz tam anlaşılmamış devinimler yeteri kadar araştırılmamış olaylarla ilgilidir.

Klasik mekanik, makroskopik sistemlerle ilgilenir. Böyle sistemlerin fiziksel durumları, onları oluşturan her bileşenin (parçanın, alt sistemin, parçacığın) konum ve hızları (veya momentumları) ile belirlenir. Bunlarla konum ve hız bilgileri veya elektrik yüklü nesneler söz konusu olduğunda akım ve gerilim bilgileri amaçlarımıza uygun olarak kodlanabilir, işlenebilir ve iletilebilir. Kolumuzdaki saatten kişisel bilgisayarlarımıza varıncaya kadar kullandığımız hemen hemen her araç ve makine böyle çalışır. Sistem bileşenlerinin; bir algoritmaya göre düzenlenmiş, ilintili (korole) konum-hız ve/veya akım-gerilim bilgilerinin harmonisinin başarısıdır bu.

Kuantum mekaniği, esas olarak atom ve molekül gibi nano veya daha kapsayıcı olarak mikroskopik sistemlerin hareket kuramıdır. Bu kuramda sistemlerin durumları, sahip olabilecekleri tüm bilgiler ile ilgili olasılık dağılımlarının kompleks olasılık genliği olarak kodlanmış olduğu kompleks durum vektörleriyle betimlenir. Sisteme ilişkin herhangi bir gözlenebilirin birbirlerini dışarlayan sayılabilir veya sayılamaz olası fiziksel durumu varsa, gözlenebiliri bu özel durumlarda bulma olasılıkları da bu durum vektöründe kodlanmıştır ve durum vektörleri istenen herhangi bir gözlenebilirin olasılık genliklerinin sıralı dizilimi olarak ifade edilebilir. Kuantum mekaniğinde bir model sistemin dinamik hareket denklemlerini çözdüğümüzde, sisteme özgü olan tüm bu olasılık genliklerini ve bunların mutlak değerlerinin karesi olan olasılıkları buluruz.

Bu iki mekanik kuram üzerinde temellenen iki farklı fiziksel bilişim kuramı vardır:  Klasik bilişim kuramı ve  kuantum bilişim kuramı. Bu iki kuramın temel yapıları; gerek kullandıkları fiziksel donanımlar, gerekse de yazılımlarını oluşturan algoritmalar ve bilişim protokolleri ilgili mekanik kuramının genel yapısı ve yasalarıyla şekillenir.

Bizleri içinde yaşadığımız (klasik) bilişim çağına getiren klasik mekanik geçmişin büyük bilimsel aşamasıydı ve bugünkü çoğu teknolojik altyapının çarkları onun kurallarına göre dönmekte olup bu işlevini sürgit devam ettirecektir. Yeni ve heyecanlı gelişmelerin sisli ortamında bulunduğumuz bu günlerde, yeni bir bilişim çağının yansımaları olarak ikinci mekaniğin bazı tomurcuklanan ve yer yer çiçeklenen dallarına artık tanık olmaktayız.

Yazının tamamı Bilim ve Ütopya'nın nisan 2018 sayısında!
 

Prof. Dr. Abdullah VERÇİN
Ankara Üniversitesi Fizik Bölümü