GPU’lar (graphics processing unit) ve DPU’lar (data processing unit) günümüzde hızlandırılmış bilgi süreç alanında kullanılırken, birebir vakitte yeni bir çip çeşidi olan QPU’lar da (quantum processing unit) kuantum hesaplama konusunda misyon yapmaya başlıyor.
Kuantum süreç üniteleri dışarıdan bakıldığında GPU ve DPU’lara çok emsal görünebilir. Hepsi tipik o olarak elektriksel devrelerden oluşan yongalar üzere görünüyor, lakin işin ayrıntısına indiğimizde QPU çok farklı bir tahlil olarak karşımıza çıkıyor.
Kuantum işlemci olarak da bilinen QPU, belli 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 kısmında 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. Öbür bir deyişle QPU’lar, bir parçacığın tıpkı anda birçok 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 nedenle günümüzde kullandığımız sistemler artık “klasik bilgisayarlar” olarak tanımlanmaya başladı. QPU’lar kriptografiyi, kuantum simülasyonlarını ve makine tahsilini geliştirebilir ve kuvvetli optimizasyon sorunlarını çözebilir.
| QPU | GPU |
| 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 kullanır | 0 yahut 1 olan bitleri kullanır. |
| Atom altı parçacıkların durumlarını kullanır. | Transistörlerde anahtarlanan elektriği kullanır. |
| Kriptografi ve kuantum tesirlerini simüle etmek için düzgün bir seçimdir. | HPC, yapay zeka ve klasik simülasyonlar için âlâ 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, birçok farklı kuantum durumunu temsil edebilen kuantum bitleri olan kübitlerde hesaplayarak elde ederler.
Kübit, bilgisayar bilimcilerinin QPU’daki bir parçacığın kuantum durumuna dayalı bilgileri tabir etmek için kullandıkları bir soyutlamadır. Bir saatin ibreleri üzere, kübitler de olasılıklar küresindeki noktalara benzeyen kuantum durumlarına işaret eder. Bir QPU’nun gücü ekseriyetle 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 tanınan olan yaklaşım üstün iletken kübit (superconducting qubit) olarak anılıyor. Temel olarak, bu teknikle elektronların iki harika iletken gereç ortasında yalıtkan bir katmandan geçtiği Josephson ilişkileri ismi verilen bir yahut daha fazla küçük metalik sandwich (yarı iletkenlerde kullanılan bir çözüm) kullanılıyor.
Son çalışmalarla birlikte bu irtibatların 100’den fazlasını tek bir QPU’da kullanmak mümkün. Üstün 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 kıymetli ve yüksek güç tüketen soğutucular (refrigerator) gerektirmez, lakin ancak fotonları yönetmek için gelişmiş lazerlere ve ışın ayrıştırıcılara gereksinim duyarlar.
Araştırmacılar, QPU’lar içinde 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 sonlu uygulamaları vardır. Uzun lafın kısası, kuantum bilgisayarlar için hala başlangıç kademesindeyiz. Bu nedenle QPU’larda hangi çeşit kübitlerin yaygın olarak kullanılacağı şimdi netlik kazanmış değil.
Basit 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 nedeni, kuantum sistemlerinin tipik olarak parçacıkları hassas bir halde denetim etmek için özel elektronik yahut optik denetim alt sistemleri gerektirmesidir. Bu türlü sistemlerde parçacıklar için gerçek ortamı yaratmak emeliyle vakumlu korumalar, elektromanyetik müdafaa yahut sofistike soğutma tahlilleri kullanılmakta. Bu ve farklı sebeplerden ötürü kuantum bilgisayarların temel olarak harika bilgi süreç merkezlerinde ve büyük data merkezlerinde hizmet vermesi bekleniyor.
QPU’lardan Beklentiler
Karmaşık bilim ve teknoloji sayesinde araştırmacılar, kuantum bilgisayarların içindeki QPU’ların şaşırtan sonuçlar vermesini bekliyor. Bilhassa dört umut vadeden mümkünlük konusunda heyecanlılar.
İlk olarak, bilgisayar güvenliğini büsbütün yeni bir seviyeye taşıyabilirler. Kuantum işlemciler, kriptografide temel bir fonksiyon olan çok büyük sayıları süratle çarpanlarına ayırabilir. Bu da günümüzün güvenlik protokollerini rahatlıkla kırabilecekleri, fakat birebir vakitte yeni ve çok daha güçlü güvenlik tedbirleri oluşturabilecekleri manasına geliyor.
Ek olarak QPU’lar, hususların atomik seviyede nasıl çalıştığını kuantum mekaniği ile simüle etmek için ülküdür. Böylece daha hafif 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 meselelerini çözeceğini umuyorlar. Son olarak, kuantum teknolojisiyle makine tahsili farklı bir boyuta taşınabilir.
Kuantum İşlemciler Ne Vakit Kullanılacak?
Kuantum araştırmacılarına nazaran QPU’ları yakın vakitte yaygın olarak kullanmak mümkün değil. Donanım tarafında QPU’lar şimdi gerçek dünyadaki birden fazla işin üstesinden gelebilecek kadar güçlü yahut emniyetli değil. Bununla birlikte, 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 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 kıymetli yatırımlar yapılmaya başladı.
Bir Kuantum İşlemciyi Nasıl Programlarsınız?
Kuantum hesaplama için yazılım şimdi emekleme etabında. Sistemlerin birçok, klasik bilgisayarların birinci günlerinde yaşanan derleme sıkıntıları ve kodlama lisanı tarafındaki vakitlere misal formda güç vakitlerden geçiyor. Hakikaten 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 gayret harcıyor. Birkaç projenin çalışmaları devam ediyor ve hepsinde mevcut donanımın sınırlamalarıyla karşı karşıyayız; bazıları, kodu geliştiren şirketler tarafından engelleniyor.
Örneğin, kimi 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 kontaklı olan yapay zeka konusunda hiçbir deneyime 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 güzel çalışması gerekecek.
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, güçlü, kullanımı 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 cins kuantum bilgisayarı ve her tıp 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 evvel QODA’nın beta sürümünün çıkması beklenirken, 2023 prestijiyle QPU’ların geleceği daha parlak olacak.
