Kuantum İşlemci (QPU) Nedir?

GPU’lar (graphics processing unit) ve DPU’lar (data processing unit) günümüzde hızlandırılmış bilgi işlem alanında kullanılırken, aynı zamanda yeni bir çip türü olan QPU’lar da (quantum processing unit) kuantum hesaplama konusunda görev yapmaya başlıyor.

Kuantum işlem birimleri dışarıdan bakıldığında GPU ve DPU’lara çok benzer görünebilir. Hepsi tipik o olarak elektriksel devrelerden oluşan yongalar gibi görünüyor, ancak işin detayına indiğimizde QPU çok farklı bir çözüm olarak karşımıza çıkıyor.

QPU Nedir?

Kuantum işlemci olarak da bilinen QPU, belirli hesaplama türlerini günümüz bilgisayarlarındaki işlemcilerden çok daha hızlı yapmak için elektronlar veya fotonlar gibi parçacıkların davranışını kullanan bir kuantum bilgisayarın beynidir.

QPU’lar, kuantum mekaniği adı verilen yeni fizik dalında tanımlanan süperpozisyon prensibine dayanıyor. Bir foton veya elektronun durumu belirsizdir. Süperpozisyon ise foton, fonon, elektron vs. gibi parçacıklar için geçerli olan bir duruma verilen isimdir. Başka bir deyişle QPU’lar, bir parçacığın aynı anda birçok durumda olma yeteneğine dayanan tamamen farklı yaklaşım üzerine inşa edilmiştir.

Buna karşılık CPU’lar, GPU’lar ve DPU’ların tümü, klasik fizik ilkelerini elektrik akımlarıyla birlikte hayata geçirir. Bu nedenle günümüzde kullandığımız sistemler artık “klasik bilgisayarlar” olarak tanımlanmaya başladı. QPU’lar kriptografiyi, kuantum simülasyonlarını ve makine öğrenimini geliştirebilir ve zorlu optimizasyon problemlerini çözebilir.

Kuantum İşlemciler Nasıl Çalışır?

CPU’lar ve GPU’lar, sıfırları veya birleri temsil eden elektrik akımının açık/kapalı durumlarını bit cinsinden hesaplar. Buna karşılık QPU’lar benzersiz güçlerini, birçok farklı kuantum durumunu temsil edebilen kuantum bitleri olan kübitlerde hesaplayarak elde ederler.

Kübit, bilgisayar bilimcilerinin QPU’daki bir parçacığın kuantum durumuna dayalı verileri ifade etmek için kullandıkları bir soyutlamadır. Bir saatin ibreleri gibi, kübitler de olasılıklar küresindeki noktalara benzeyen kuantum durumlarına işaret eder. Bir QPU’nun gücü genellikle içerdiği kübit sayısıyla tanımlanır. Araştırmacılar, bir QPU’nun genel performansını test etmek ve ölçmek için ek yollar geliştiriyor.

Kübit Tasarlamanın Yolları

Kurumsal ve akademik araştırmacılar, QPU içindeki kübitleri inşa etmek için çok çeşitli teknikler kullanıyor. Bugünlerde en popüler olan yaklaşım süper iletken kübit (superconducting qubit) olarak anılıyor. Temel olarak, bu teknikle elektronların iki süper iletken malzeme arasında yalıtkan bir katmandan geçtiği Josephson bağlantıları adı verilen bir veya daha fazla küçük metalik sandwich (yarı iletkenlerde kullanılan bir çözüm) kullanılıyor.

Son çalışmalarla birlikte bu bağlantıların 100’den fazlasını tek bir QPU’da kullanmak mümkün. Süper iletken kübit yaklaşımını temel alan kuantum bilgisayarlar, yüksek teknoloji avizelere benzeyen güçlü soğutma sistemleri ile elektronları mutlak sıfıra yakın sıcaklara soğutarak izole eder.

Bazı şirketler kuantum işlemcilerinde kübit oluşturmak için elektron yerine foton kullanır. Bu QPU’lar pahalı ve yüksek güç tüketen soğutucular (refrigerator) gerektirmez, ancak ancak fotonları yönetmek için gelişmiş lazerlere ve ışın ayrıştırıcılara ihtiyaç duyarlar.

Araştırmacılar, QPU’lar içinde kübitler oluşturmak ve bağlamak için farklı yollar keşfediyor. Örneğin bazıları quantum annealing (kuantum tavlama) adı verilen bir analog işlem kullanır fakat bu QPU’ları kullanan sistemlerin sınırlı uygulamaları vardır. Uzun lafın kısası, kuantum bilgisayarlar için halen başlangıç aşamasındayız. Bu nedenle QPU’larda hangi tür kübitlerin yaygın olarak kullanılacağı henüz netlik kazanmış değil.

Basit Çipler, Egzotik Sistemler

Teorik olarak, QPU’lar klasik işlemcilerden daha az güç gerektirir ve daha az ısı üretir. Ancak bağlandıkları kuantum bilgisayarlar yüksek güç tüketebilir ve yüksek maliyetlere sahip olabilir.

Bunun nedeni, kuantum sistemlerinin tipik olarak parçacıkları hassas bir şekilde kontrol etmek için özel elektronik veya optik kontrol alt sistemleri gerektirmesidir. Böyle sistemlerde parçacıklar için doğru ortamı yaratmak amacıyla vakumlu muhafazalar, elektromanyetik koruma veya sofistike soğutma çözümleri kullanılmakta. Bu ve farklı sebeplerden dolayı kuantum bilgisayarların esas olarak süper bilgi işlem merkezlerinde ve büyük veri merkezlerinde hizmet vermesi bekleniyor.

QPU’lardan Beklentiler

Karmaşık bilim ve teknoloji sayesinde araştırmacılar, kuantum bilgisayarların içindeki QPU’ların şaşırtıcı sonuçlar vermesini bekliyor. Özellikle dört umut vadeden olasılık konusunda heyecanlılar.

İlk olarak, bilgisayar güvenliğini tamamen yeni bir düzeye taşıyabilirler. Kuantum işlemciler, kriptografide temel bir işlev olan çok büyük sayıları hızla çarpanlarına ayırabilir. Bu da günümüzün güvenlik protokollerini rahatlıkla kırabilecekleri, ancak aynı zamanda yeni ve çok daha güçlü güvenlik önlemleri oluşturabilecekleri anlamına geliyor.

Ek olarak QPU’lar, maddelerin atomik düzeyde nasıl çalıştığını kuantum mekaniği ile simüle etmek için idealdir. Böylelikle daha hafif uçakların tasarımından daha tesirli ilaçlara kadar dünyamızdaki her şeyde etkili olabilecek kimya ve malzeme biliminde temel ilerlemeler sağlayabilir.

Araştırmacılar ayrıca kuantum işlemcilerin klasik bilgisayarların finans ve lojistik gibi alanlarda üstesinden gelemeyeceği optimizasyon sorunlarını çözeceğini umuyorlar. Son olarak, kuantum teknolojisiyle makine öğrenimi farklı bir boyuta taşınabilir.

Kuantum İşlemciler Ne Zaman Kullanılacak?

Kuantum araştırmacılarına göre QPU’ları yakın zamanda yaygın olarak kullanmak mümkün değil. Donanım tarafında QPU’lar henüz gerçek dünyadaki çoğu işin üstesinden gelebilecek kadar güçlü veya güvenilir değil. Bununla birlikte, erken üretilen QPU’lar ve bunları NVIDIA cuQuantum gibi yazılımlarla simüle eden GPU’lar, özellikle daha gelişmiş QPU’ların nasıl oluşturulacağını ve kuantum algoritmalarının nasıl geliştirileceğini araştıran projelerle araştırmacılara yeni imkanlar tanımaya başlıyor.

Bilim insanları, Amazon, IBM, IonQ, Rigetti, Xanadu ve daha birçok şirket aracılığıyla sağlanan prototip sistemleri kullanıyor. Dünyanın dört bir yanındaki hükümetler kuantum teknolojisinin potansiyelini görmeye başlıyor. Bu nedenle daha büyük ve daha gelişmiş sistemler inşa etmek için önemli yatırımlar yapılmaya başladı.

Bir Kuantum İşlemciyi Nasıl Programlarsınız?

Kuantum hesaplama için yazılım henüz emekleme aşamasında. Sistemlerin çoğu, klasik bilgisayarların ilk günlerinde yaşanan derleme sorunları ve kodlama dili tarafındaki zamanlara benzer şekilde zor zamanlardan geçiyor. Nitekim geliştiricilerin uygulamalarını çalıştırmaları için temel kuantum donanımının ayrıntılarını bilmesi gerekli.

Bu noktada devam eden çalışmalar mevcut. Çeşitli şirketler, herhangi bir süper bilgisayarda veya bir kuantum sistemde çalışacak tek bir yazılım çözümü geliştirmek üzere çaba harcıyor. Birkaç projenin çalışmaları devam ediyor ve hepsinde mevcut donanımın sınırlamalarıyla karşı karşıyayız; bazıları, kodu geliştiren şirketler tarafından engelleniyor.

Örneğin, bazı şirketler kurumsal bilgi işlem konusunda derin uzmanlığa sahip olsa bile kuantum hesaplama tarafındaki bilimsel ve teknik çalışmaların yapılacağı yüksek performanslı ortamlarda deneyime sahip değildir. Kimi şirketler ise kuantum hesaplama ile bağlantılı olan yapay zeka konusunda hiçbir tecrübeye sahip değil.

Hibrit Kuantum Sistemler

Araştırma topluluğu, öngörülebilir gelecekte klasik ve kuantum bilgisayarların birlikte çalışacağı konusunda hemfikir. Bu nedenle geliştirilen yazılımın QPU, CPU ve GPU’larda iyi çalışması gerekecek.

Kuantum hesaplama teknolojileri için çalışmalar yapan NVIDIA, kısa süre önce hibrit kuantum sistemlerini programlamak için açık bir platform olan QODA’yı (Optimize Edilmiş Kuantum Cihaz Mimarisi) duyurdu.

QODA, güçlü, kullanımı kolay, kısa ve öz olan üst düzey bir dil içeriyor. QODA ile geliştiriciler, kuantum bilgisayarlarda yer alan QPU’larda ve klasik sistemlerde QPU’ları simüle eden GPU’larda çalışan programlar yazabiliyor. Ayrıca bu çözümün her tür kuantum bilgisayarı ve her tür QPU’yu destekleyeceği belirtiliyor.

NVIDIA’nın bu özel mimarisi, şirketin bilimsel, teknik ve kurumsal kullanıcılar için HPC ve yapay zeka iş yüklerini hızlandıran CUDA yazılımındaki kapsamlı uzmanlığını temel alıyor. 2022 yılı bitmeden önce QODA’nın beta sürümünün çıkması beklenirken, 2023 itibarıyla QPU’ların geleceği daha parlak olacak.