Kuantum İşlemci (QPU) Nedir?

Adanali

Member
GPU’lar (graphics processing unit) ve DPU’lar (data processing unit) günümüzde hızlandırılmış bilgi süreç alanında kullanılırken, hem de yeni bir çip tipi olan QPU’lar da (quantum processing unit) kuantum hesaplama konusunda misyon yapmaya başlıyor.

Kuantum süreç üniteleri dışarıdan bakıldığında GPU ve DPU’lara hayli benzeri görünebilir. Hepsi tipik o olarak elektriksel devrelerden oluşan yongalar üzere görünüyor, lakin işin ayrıntısına indiğimizde QPU epey farklı bir tahlil olarak karşımıza çıkıyor.

Kuantum işlemci olarak da bilinen QPU, makul hesaplama cinslerini günümüz bilgisayarlarındaki işlemcilerden çok daha süratli yapmak için elektronlar yahut fotonlar üzere parçacıkların davranışını kullanan bir kuantum bilgisayarın beynidir.

QPU’lar, kuantum mekaniği ismi verilen yeni fizik kolunda tanımlanan süperpozisyon prensibine dayanıyor. Bir foton yahut elektronun durumu meçhuldür. Süperpozisyon ise foton, fonon, elektron vs. üzere parçacıklar için geçerli olan bir duruma verilen isimdir. Diğer bir deyişle QPU’lar, bir parçacığın birebir anda biroldukça durumda olma yeteneğine dayanan büsbütün farklı yaklaşım üzerine inşa edilmiştir.


Buna karşılık CPU’lar, GPU’lar ve DPU’ların tümü, klasik fizik prensiplerini elektrik akımlarıyla birlikte hayata geçirir. Bu niçinle günümüzde kullandığımız sistemler artık “klasik bilgisayarlar” olarak tanımlanmaya başladı. QPU’lar kriptografiyi, kuantum simülasyonlarını ve makine tahsilini geliştirebilir ve şiddetli optimizasyon sorunlarını çözebilir.

QPUGPU
Quantum processing unit (kuantum sürece birimi)Graphics processing unit (grafik sürece birimi)
Kuantum fiziğine dayanır.Klasik fiziğe dayanır.
0 ve 1’den büyük olabilen kübitler kullanır0 yahut 1 olan bitleri kullanır.
Atom altı parçacıkların durumlarını kullanır.Transistörlerde anahtarlanan elektriği kullanır.
Kriptografi ve kuantum tesirlerini simüle etmek için âlâ bir seçimdir.HPC, yapay zeka ve klasik simülasyonlar için düzgün bir seçimdir.

Kuantum İşlemciler Nasıl Çalışır?

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

Kübit, bilgisayar bilimcilerinin QPU’daki bir parçacığın kuantum durumuna dayalı dataları tabir etmek için kullandıkları bir soyutlamadır. Bir saatin ibreleri üzere, kübitler de olasılıklar küresindeki noktalara benzeyen kuantum durumlarına işaret eder. Bir QPU’nun gücü çoklukla 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 ortasındaki kübitleri inşa etmek için epey çeşitli teknikler kullanıyor. Bugünlerde en tanınan olan yaklaşım harika iletken kübit (superconducting qubit) olarak anılıyor. Temel olarak, bu teknikle elektronların iki üstün iletken gereç içinde yalıtkan bir katmandan geçtiği Josephson kontakları ismi verilen bir yahut daha fazla küçük metalik sandwich (yarı iletkenlerde kullanılan bir çözüm) kullanılıyor.

IBM’in Eagle üstün iletken QPU’su ortasındaki kübitler.

Son çalışmalarla bir arada bu irtibatların 100’den çoksını tek bir QPU’da kullanmak mümkün. Üstün iletken kübit yaklaşımını temel alan kuantum bilgisayarlar, yüksek teknoloji avizelere benzeyen kuvvetli 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 kıymetli ve yüksek güç tüketen soğutucular (refrigerator) gerektirmez, lakin fakat fotonları yönetmek için gelişmiş lazerlere ve ışın ayrıştırıcılara muhtaçlık duyarlar.

Süper iletken bir kuantum bilgisayar için kullanılan soğutma ünitesi.

Araştırmacılar, QPU’lar ortasında kübitler oluşturmak ve bağlamak için farklı yollar keşfediyor. Örneğin kimileri quantum annealing (kuantum tavlama) ismi verilen bir analog süreç kullanır ancak bu QPU’ları kullanan sistemlerin hudutlu uygulamaları vardır. Uzun lafın kısası, kuantum bilgisayarlar için hala başlangıç kademesindeyiz. Bu niçinle QPU’larda hangi tıp kübitlerin yaygın olarak kullanılacağı çabucak hemen netlik kazanmış değil.

sıradan Çipler, Egzotik Sistemler

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

Bunun sebebi, kuantum sistemlerinin tipik olarak parçacıkları hassas bir biçimde denetim etmek için özel elektronik yahut optik denetim alt sistemleri gerektirmesidir. bu biçimde sistemlerde parçacıklar için hakikat ortamı yaratmak maksadıyla vakumlu korumalar, elektromanyetik muhafaza yahut sofistike soğutma tahlilleri kullanılmakta. Bu ve farklı sebeplerden dolayı kuantum bilgisayarların temel olarak muhteşem bilgi süreç merkezlerinde ve büyük bilgi merkezlerinde hizmet vermesi bekleniyor.

Kuantum bilgisayar şirketi D-Wave, tam bir sistemde kübitleri ve QPU’yu gösteriyor.

QPU’lardan Beklentiler

Karmaşık bilim ve teknoloji yardımıyla araştırmacılar, kuantum bilgisayarların ortasındaki QPU’ların şaşırtan sonuçlar vermesini bekliyor. Bilhassa dört umut vadeden mümkünlük konusunda heyecanlılar.

ilk vakit içinderda, bilgisayar güvenliğini büsbütün yeni bir seviyeye taşıyabilirler. Kuantum işlemciler, kriptografide temel bir fonksiyon olan fazlaca büyük sayıları süratle çarpanlarına ayırabilir. Bu da günümüzün güvenlik protokollerini rahatlıkla kırabilecekleri, lakin bununla birlikte yeni ve fazlaca daha kuvvetli güvenlik tedbirleri oluşturabilecekleri manasına geliyor.

Ek olarak QPU’lar, unsurların atomik seviyede nasıl çalıştığını kuantum mekaniği ile simüle etmek için ülküdür. bu biçimdelikle daha yavaşça uçakların dizaynından daha etkili ilaçlara kadar dünyamızdaki her şeyde tesirli olabilecek kimya ve gereç biliminde temel ilerlemeler sağlayabilir.

Araştırmacılar ayrıyeten kuantum işlemcilerin klasik bilgisayarların finans ve lojistik üzere alanlarda üstesinden gelemeyeceği optimizasyon problemlerini çözeceğini umuyorlar. Son olarak, kuantum teknolojisiyle makine tahsili farklı bir boyuta taşınabilir.

Kuantum İşlemciler Ne Vakit Kullanılacak?

Kuantum araştırmacılarına göre QPU’ları yakın vakitte yaygın olarak kullanmak mümkün değil. Donanım tarafında QPU’lar çabucak hemen gerçek dünyadaki birçok işin üstesinden gelebilecek kadar kuvvetli yahut emniyetli değil. tıpkı vakitte, erken üretilen QPU’lar ve bunları NVIDIA cuQuantum üzere yazılımlarla simüle eden GPU’lar, bilhassa 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 birfazlaca şirket aracılığıyla sağlanan prototip sistemleri kullanıyor. Dünyanın dört bir yanındaki hükümetler kuantum teknolojisinin potansiyelini görmeye başlıyor. Bu niçinle daha büyük ve daha gelişmiş sistemler inşa etmek için kıymetli yatırımlar yapılmaya başladı.

Bir Kuantum İşlemciyi Nasıl Programlarsınız?

Kuantum hesaplama için yazılım çabucak hemen emekleme basamağında. Sistemlerin birden fazla, klasik bilgisayarların birinci günlerinde yaşanan derleme problemleri ve kodlama lisanı tarafındaki vakit içindera emsal biçimde sıkıntı vakit içinderdan geçiyor. Gerçekten geliştiricilerin uygulamalarını çalıştırmaları için temel kuantum donanımının detaylarını bilmesi gerekli.

Bu noktada devam eden çalışmalar mevcut. Çeşitli şirketler, rastgele bir üstün bilgisayarda yahut bir kuantum sistemde çalışacak tek bir yazılım tahlili geliştirmek üzere efor harcıyor. Birkaç projenin çalışmaları devam ediyor ve hepsinde mevcut donanımın sınırlamalarıyla karşı karşıyayız; bazıları, kodu geliştiren şirketler tarafınca engelleniyor.

Örneğin, birtakım şirketler kurumsal bilgi süreç konusunda derin uzmanlığa sahip olsa bile kuantum hesaplama tarafındaki bilimsel ve teknik çalışmaların yapılacağı yüksek performanslı ortamlarda tecrübeye sahip değildir. Kimi şirketler ise kuantum hesaplama ile irtibatlı olan yapay zeka konusunda hiç bir deneyime sahip değil.

Hibrit Kuantum Sistemler

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

Araştırmacılar, 2017 tarihindeki bir makalede hibrit klasik kuantum bilgisayarı tanımladılar.

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

QODA, kuvvetli, kullanması kolay, kısa ve öz olan üst seviye bir lisan içeriyor. QODA ile geliştiriciler, kuantum bilgisayarlarda yer alan QPU’larda ve klasik sistemlerde QPU’ları simüle eden GPU’larda çalışan programlar yazabiliyor. Ayrıyeten bu tahlilin her çeşit kuantum bilgisayarı ve her cins QPU’yu destekleyeceği belirtiliyor.

NVIDIA QODA, geliştiricilere rastgele bir hibrit kuantum-klasik bilgisayarı programlamak için birleşik bir platform sağlıyor.

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 bitmedilk evvel QODA’nın beta sürümünün çıkması beklenirken, 2023 prestijiyle QPU’ların geleceği daha parlak olacak.