Quantum Bilgisayarlar ve Bulut Bilişim
Gordon Moore’un daha sonra da Moore Yasası olarak söylenegelen işlemcilerdeki transistör sayılarının[1] her yıl iki katına çıkacağı öngörüsü 2010 yılı itibariyle sınırına dayanmış durumda.[2] Transistör sayısı artışının getirdiği teknolojideki ivme pek çok alanda gelişmeler yaşanmasını sağladı. Bunun yanında makine öğrenmesi, yapay zeka, bulut teknolojileri gibi teknolojiler zamanla hayatımıza girdi ve beklenen işlemci hesaplama yeteneği artışına bağımlılık oluştu. Bu artışı bekleyen bir çok problem var. İşlemci çekirdeklerinin arttırılması organizasyonunun geliştirilmesi, grafik işlemcilerinin geliştirilmesi ve yazılım teknolojilerinin iyileştirilmesi bu transistör artışı yavaşlamasının fazla hissedilmesini engelledi. Ancak transistör sayısı artmaya devam etse bile bazı problemler bol transistörlü çok yüksek enerji harcayan süper bilgisayarların on yıllarca çalışmasıyla çözülebileceği için hiç karlı bir durum değil. Burada olasılıksal hesaplamanın genelleştirilmiş bir hali olan kuantum hesaplama yöntemleri ve kuantum bilgisayarlar devreye giriyor. Bu darboğazdan çıkmak için kuantum hesaplama teknolojileri bir çok ülkeyle(Çin, Amerika, Kanada vb.) birlikte dev şirketlerin(Google, IBM, Microsoft) gündemine girdi.
Kuantum Bilgisayarlar
Kuantum bilgisayarlar temel olarak klasik bilgisayarlardaki bitler yerine foton, elektron, molekül gibi kuantum fiziği kurallarına göre hareket eden küçük yapıların manipüle edilebilen hallerinden oluşan kübitler ile çalışıyor. Bir kübitin durumunu bilemeyiz, ölçtüğümüzde 1 veya 0 sonucunu elde ederiz ancak bu durumu defalarca oluşturur ve tekrar ölçersek bu durumun ne olduğunu olasılıksal olarak görebiliriz. Bir kesenin içindeki siyah ve beyaz boncukların oranını defalarca boncuk çekip kesenin içine tekrar koyarak, çıkan siyah ve beyaz boncuk oranının kese içindeki asıl orana gittikçe yaklaşacağını bildiğimiz gibi. Birden çok kübitin bir araya gelmesiyle de bu sefer kübitlerin süperpozisyon ve dolanıklık yetenekleriyle birlikte büyük bir olasılık havuzu içerisinde birbirini etkileyebilen kübitler klasik bilgisayarlara nazaran çok yüksek hızda bazı problemleri(Optimizasyon problemleri[3], moleküler simülasyon[4] vb.) çözebilir.
Günümüzde üretilmeye çalışılan genel olarak iki tür kuantum bilgisayar türü var. Bunlardan biri genel kuantum bilgisayarlar(örn. IBM Q) diğeri ise daha çok optimizasyon problemleri için özel olarak tasarlanmış çok kübitli kuantum bilgisayarlar(D-Wave Advantage). Her geçen yıl artmakla beraber genel kuantum bilgisayarlar 50(IBM), 72(Google), 128(Rigetti) kübitlik büyüklükte üretilebiliyor. D-Wave firması ürettiği kuantum tavlama(quantum annealing) bilgisayarları 2015’den beri satıyor en son ürünü ise 5000 kübit’lik Advantage kuantum bilgisayarı[5]. Devletler, şirketler için büyük avantajlara sahip olan kuantum bilgisayarlar herkesin satın alabilmesi için oldukça pahalı ve istenilen her şeyi yapabilecek teknolojide henüz değil ancak hem kendilerini bu yeni teknoloji için eğitmek hem de şu an için çözülebilen ölçüdeki büyük problemleri kuantum bilgisayarlar aracılığıyla çözebilmeleri için bulut teknoloji şirketleri(Amazon, Microsoft, Alibaba vb.) kullanıcılara uzaktan servisler sağlamaya başlamıştır.
Kuantum hesaplama ve bulut servisleri
Bulut servis sağlayıcıları farklı şirketlerin kuantum bilgisayarlarını klasik sistemler ile birlikte hibrit bir şekilde hizmet vermekle birlikte sadece kuantum bilgisayar simülasyonu sunanlar da mevcut. Bunun yanında Microsoft tam teşekküllü bir kuantum bulut hizmeti için çalışıyor. Bulut servislerinde kuantum kodlamalar çalıştırılırken kuyruğa alınıyor ve sırayla işleniyor bu yüzden kuantum bilgisayara kod gönderilmeden bir simülatörde denenmesi kuantum bilgisayarların yükünü azaltıyor. Kuantum hesaplama için bulut hizmetleri:
Amazon Braket
İsmini kuantum hesaplamada kullanılan bra ve ket ifadelerinden alan Amazon Braket[6] kuantum hesaplamayla ilgili işleri başından sonuna kadar kolaylıkla gerçekleştirebileceğimiz, hibrit algoritmaları uygulayabileceğimiz bir bulut servisi.
Kuantum bilgisayar hizmet sağlayıcıları için entegrasyonu yapılmış, kullanıma hazır jupyter not defterleri sunan Amazon braket servisi, kullanıcılara uzman desteği de sağlıyor. Hazırlanan kodlar kuantum bilgisayarlarda çalıştırılmadan önce kuantum simülatörde çalıştırılabiliyor.
Amazon Braket kuantum bilgisayar olarak süper iletken kübitler kullanan Rigetti[7], iyon tuzaklaması yöntemi kullanan IonQ[8] ve kuantum tavlama yöntemiyle optimizasyon problemlerine yönelik özelleşmiş bilgisayarlar sunan D-Wave firmasının bilgisayarlarına erişim sağlıyor.
Microsoft
Microsoft firması 1997’den beri yatırım yaptığı kuantum teknolojileri alanında tam teşekküllü bir kuantum bulut servisi sunma amacıyla çalışmalarına devam etmekte ve diğer sistemlere nazaran kuantum bilgisayarların seri üretimine daha uygun topolojik kübitler ile çalışmayı tercih ediyor.[9] Bunun yanında Azure Quantum adı altında Honeywell, IonQ, Quantum Circuits, 1Qloud ve TOSHIBA firmalarının kuantum çözümlerini bulut hizmeti olarak sunmakta.
Microsoft özellikle öğrenim modülleri, örnek problemler ve endüstriyel kullanım durumu senaryoları ile zengin öğrenim materyalleri sunuyor. Geliştiriciler için bir kuantum geliştirme kiti ve programlama için kendi Q# kuantum programlama dili ile birlikte python desteği sağlıyor.[10]
Henüz Microsoft bulut hizmetlerini halka açmış olmamakla birlikte geliştirme sürecinde çeşitli firmalara hizmet vermektedir. Bunlardan bazıları ve çalıştıkları konular şunlardır:
OTI – Hesaplamalı Kimya - Kuantum optimizasyon [11]
Ford – Trafik – Kuantum optimizasyon[12]
Case Western Reserve Universitesi – MRI – kuantum optimize algoritmalar[13]
IBM
IBM Quantum Experience kuantum programlamayı bulut servisi olarak sunmakta. En son 50 kübitlik kuantum bilgisayar üreten IBM endüstriyel çözümler(IBM Q) için çalışırken aynı zaman da daha az sayıda kübitli kuantum bilgisayarlarını ücretsiz olarak sunmakta. İsteyen istediği kuantum bilgisayarda kodlarını çalıştırabiliyor ancak bazı bilgisayarlar çok tercih edilince kuyrukta işlemimiz çok bekleyebiliyor.
IBM bunun yanıda açık kaynaklı qiskit programlama dili, jupyter not defterleri, ve özel sürükle bırak kapılarla işlem yapabildiğimiz bir composer sunmakta. Kodlarımızı deneyebilmemiz için OpenQasm simülatöründe beklemeden çalışabiliriz. Bunların hepsini tek bir yerde kullanışlı bir arayüzle bize sunuyor.
IBM oldukça iyi, programlı eğitim ve topluluk faaliyetleri yürütmekte. Bu yıl için temel hedef kitlesi liseliler olan dünya çapında 8000 kişiye sıfırdan ücretsiz kuantum programlama eğitimi veriyor.[14]
Alibaba
Alibaba cloud 2018’de halka açık sunmaya başladığı[15] kuantum bilgisayarın yanında ACQDP(Alibaba Cloud Quantum Development Platform) güçlü sunucularıyla kuantum işlemcilerin simulasyonu ve onlar üzerindeki benchmarklar uygulayabilecek güçlü hizmetler sunmaktadır.[16]
QuTech
Hollanda’da bulunan ve ilk kuantum interneti kurmayı hedefleyen QuTech[17] organizasyonu quantum-inspire[18] adı altında avrupanın ilk kuantum sistemini halka açık şekilde sunmakta. 26 kübitlik kuantum bilgisayarda işlemler yapmamıza izin veriyor.
Huawei
Huawei fiması da bulut servisleri arasında HiQ kuantum teknoloji servisleri sunmakta.[19]
Kuantum üstünlüğünü(Quantum Supremecy) elde ettiğini iddia eden dünya devi henüz bir genel kuantum bulut hizmeti sunmasa da kuantum Tensorflow kütüphane servisi ve cirq kuantum programlama dili sunmakta.
Kaynaklar:
[1] “What is the limit to Moore’s Law?”, [Çevrimiçi]. Erişim adresi: https://www.zdnet.com/article/what-is-the-limit-to-moores-law/.
[2] “Moore Yasası (Moore’s Law) Nedir?”, [Çevrimiçi]. Erişim adresi: https://medium.com/turkce/moore-yasası-moore-s-law-nedir-c31bee8da753.
[3] “D-Wave Volswagen trafik optimizasyon sistemi”, [Çevrimiçi]. Erişim adresi: https://www.dwavesys.com/media-coverage/volkswagen-optimizes-traffic-flow-quantum-computers.
[4] “What problems will we solve with a quantum computer?”, [Çevrimiçi]. Erişim adresi: https://www.microsoft.com/en-us/research/blog/problems-will-solve-quantum-computer/.
[5] “D-Wave 5000 qubit Advantage kuantum bilgisayar satışı”, [Çevrimiçi]. Erişim adresi: https://www.dwavesys.com/media-coverage/toms-hardware-d-wave-announces-first-sale-its-5000-qubit-quantum-computer.
[6] “Amazon Braket”. [Çevrimiçi]. Erişim adresi: https://aws.amazon.com/tr/braket/.
[7] “Rigetti Computing | Rigetti”. https://www.rigetti.com/
[8] “IonQ”, IonQ. https://ionq.com/
[9] “Quantum computing in the cloud: Where we are today”, [Çevrimiçi]. Erişim adresi: http://techgenix.com/quantum-computing-cloud/.
[10] “Azure Quantum | Microsoft Azure”. https://azure.microsoft.com/en-us/services/quantum/
[11] “OTI Lumionics: Accelerating materials design with Azure Quantum”, Microsoft Quantum, Oca. 21, 2020. https://cloudblogs.microsoft.com/quantum/2020/01/21/oti-lumionics-accelerating-materials-design-microsoft-azure-quantum/
[12] Microsoft Azure, Azure Quantum and Ford partner to improve traffic congestion. 2019.
[13] “Microsoft Quantum helps Case Western Reserve University advance MRI research”, The Official Microsoft Blog, May. 18, 2018. https://blogs.microsoft.com/blog/2018/05/18/microsoft-quantum-helps-case-western-reserve-university-advance-mri-research/
[14] “IBM qubit by qubit(QxQ)”, [Çevrimiçi]. Erişim adresi: https://www.qubitbyqubit.org.
[15] “Alibaba cloud quantum computer”, [Çevrimiçi]. Erişim adresi: https://www.alibabacloud.com/press-room/alibaba-cloud-and-cas-launch-one-of-the-worlds-most.
[16] F. Zhang vd., “Alibaba Cloud Quantum Development Platform: Large-Scale Classical Simulation of Quantum Circuits”, arXiv:1907.11217 [quant-ph], Eyl. 2019. [Çevrimiçi]. Erişim adresi: http://arxiv.org/abs/1907.11217.
[17] “QuTech - Research and development in quantum technology”, QuTech. https://qutech.nl/
[18] D. Voorhoede, “Quantum Inspire”, Quantum Inspire. https://www.quantum-inspire.com/
[19] “Huawei hiq bulut servisi”, [Çevrimiçi]. Erişim adresi: https://hiq.huaweicloud.com/en/.