Bir Atom Nasıl Aynı Anda Birden Çok Yerde Olabilir ve Birden Çok Şey Yapabilir

Abaküsle dünyanın en hızlı süper-bilgisayarı arasındaki farkı düşündüğünüz takdirde bile bir kuantum bilgisayarının günümüzün bilgisayarlarından ne kadar daha güçlü olduğunu anlamanın yakınından geçemezsiniz.
Julian Brown

Yıl 2041 . Küçük bir çocuk, odasındaki bilgisayarın başına oturuyor. Bu sıradan bir bilgisayar değil. Bu bir kuantum bilgisayarı. Çocuk bilgisayara bir komut veriyor. . . Aynı anda bilgisayar kendi binlerce kopyasına bölünüyor ve her biri problemin farklı bir dalı üzerinde çalışmaya koyuluyor.

Yalnızca birkaç saniye sonra, dallar yeniden bir araya geliyor ve bilgisayarın gösterge panelinde tek bir cevap yanıp sönüyor. Dünyadaki bütün bilgisayarlar bir arada çalıştırılsa bile bu cevabı bulmaları trilyonlarca yıl alırdı. Sonuçtan memnun olan çocuk bilgisayarı kapatıyor ve oyununa geri dönüyor. Bu akşam için ev ödevi bitmiş durumda.

Çocuğun bilgisayarının yapabildiğini aslında hiçbir bilgisayar yapamaz, değil mi? Bir bilgisayarın bunu yapabileceği gerçeği bir kenara, bu bilgisayarların taslak halindeki ilk versiyonları günümüzde bile mevcuttur. Üzerinde ciddi tartışmaların döndüğü asıl nokta ise, bu türden bir kuantum bilgisayarının yalnızca çok fazla sayıdaki bilgisayarın toplamı gibi mi çalışacağı, yoksa bazılarının inandığı gibi, kendi kendisinin paralel gerçeklikler veya evrenlerde var olan birçok farklı kopyasının bilgi işlem gücünden mi yararlanacağı sorusudur.

Kuantum bilgisayarının temel özelliği olan aynı anda birçok işlemi birden yapabilme yetisi, dalgaların (dolayısıyla da, dalgalar gibi davranan atom ve fotonların da) yapabildiği iki şeyden kaynaklanmaktadır. Bunlardan ilki, okyanus dalgalarında görülebilir.

Okyanusta hem büyük dalgalar hem de küçük dalgacıklar oluşur. Ancak rüzgarlı bir günde dalgalı bir denizi seyreden herkesin bilebileceği gibi, büyük dalgaların üzerinde küçük dalgacıklar da görebilirsiniz. Bu, tüm dalgaların genel bir özelliğidir. Eğer iki farklı dalga var olabiliyorsa, aynı şekilde, dalgaların bir kombinasyonu, yani süperpozisyonu da var olabilir.

Süperpozisyon gerçeği, gündelik dünyada önemsiz bir şey gibi görünebilir. Ancak atomlar ve bileşenlerinin dünyasında, bu durumun etkileri sarsıcı düzeydedir.

Bir kez daha, pencere camına vuran fotonu düşünelim. Schrödinger denkleminin ortaya koyduğu gibi, foton ne yapacağı konusunda bir olasılık dalgası tarafından bilgilendirilir.

Fotonun camdan geçmesi de, geri yansıması da olasılık dahilinde olduğundan, Schrödinger denklemi iki dalganın varoluşuna imkan tanımalıdır – biri camdan geçip gidecek, diğeri de geri yansıyacak foton için. Burada şaşırtıcı bir durum yok. Fakat şunu unutmamak gerekiyor ki, aynı anda iki dalganın birden var olmasına imkan tanındığında, bu dalgaların bir süperpozisyonunun var olmasına da imkan tanınmış olur. Deniz dalgaları için konuşacak olursak, bu türden bir kombinasyon kimse için inanılmaz bir durum değildir. Ancak atomların dünyasında söz konusu kombinasyon olağanüstü sayılabilecek bir duruma tekabül eder: aynı anda hem camdan geçen hem de geri yansıyan bir fotonun varlığına. Diğer bir deyişle, foton aynı anda camın iki tarafında birden bulunabilmektedir.

Tahayyül sınırlarımızı zorlayan bu özellik, iki kaçınılmaz gerçekten kaynaklanıyor: fotonların dalgalar tarafından tanımlandığı ve dalgaların süperpozisyon hallerinin olası olduğu gerçeklerine.

Bu uçuk bir teori değil. Yapılan deneylerde, aynı anda iki yerde birden bulunan bir foton ya da atomu gözlemlemek gerçekten de mümkündür (daha doğru bir ifadeyle ortaya koyacak olursak, aynı anda iki yerde birden bulunan bir foton ya da atomun neden olduğu sonuçları gözlemlemek mümkündür). Bu durumun gündelik hayatımızdaki karşılığı, aynı anda hem San Francisco hem de Sydney’de bulunabilmenizdir. Dahası, üst üste binecek dalgaların sayısının bir sınırı olmadığından, bir foton ya da atom aynı anda üç, on ya da bir milyon yerde olabilir.

Öte yandan mikroskobik bir parçacıkla bağlantılı olasılık dalgası, bu parçacığa nerede bulunabileceğinden daha fazla bilgi vermektedir. Olasılık dalgası, parçacığa tüm durumlar dahilinde nasıl davranacağını da bildirir (örneğin bir fotona, pencere camının içinden geçip geçmeyeceğini ya da camdan geri yansıyıp yansımayacağını).

Dolayısıyla atomlar ve türevleri yalnızca aynı anda birçok yerde bulunabilmekle kalmaz, aynı anda birçok işi de gerçekleştirebilirler. Bunun gündelik yaşantımızdaki karşılığı ise aynı anda ev temizliği yapmanız, köpeği dolaştırmanız ve haftalık süpermarket alışverişini halletmenizdir.

Kuantum bilgisayarının muazzam gücünün ardındaki giz budur. Atomların aynı anda birçok işi yapabilme yetisini kullanan kuantum bilgisayarları, aynı anda çok sayıda hesaplamayı yapabilmektedir.