Kuantum bilgisayarlarının gelişimiyle birlikte kuantum yazılımlarının üretilme ve test ihtiyacı doğmuştur. Geleneksel yazılım test yöntemleri, kuantum mekaniğinin doğasından kaynaklanan karmaşıklık nedeniyle kuantum yazılımlarını test etmede yetersiz kalmaktadır. Kuantum yazılım sistemlerinin doğruluk ve güvenilirliğini sağlamak için kuantum test teknikleri ve araçları, özel olarak geliştirilmiş çözümler sunmaktadır. Bu çalışmada kuantum bilgisayar teknolojisinin geleceği için temel niteliği taşıyan güncel çalışmalar anlatılmıştır. Başlıca QuanFuzz, QMutPy, Quito vb. araçlar ile metamorfik, kombinasyonel ve arama tabanlı test tekniklerinden bahsedilmiştir. Kuantum test mühendisliği alanında görülen standartlaşma problemi üzerinde değerlendirmeler yapılmıştır. Bu çalışma, kuantum test teknikleri ve araçları üzerinde çalışma yapmak isteyen araştırmacılara bir rehber niteliğindedir.
Kuantum bilgisayarlarının gelişimiyle birlikte kuantum yazılımlarının üretilme ve test ihtiyacı doğmuştur. Geleneksel yazılım test yöntemleri, kuantum mekaniğinin doğasından kaynaklanan karmaşıklık nedeniyle kuantum yazılımlarını test etmede yetersiz kalmaktadır. Kuantum yazılım sistemlerinin doğruluk ve güvenilirliğini sağlamak için kuantum test teknikleri ve araçları, özel olarak geliştirilmiş çözümler sunmaktadır. Bu çalışmada kuantum bilgisayar teknolojisinin geleceği için temel niteliği taşıyan güncel çalışmalar anlatılmıştır. Başlıca QuanFuzz, QMutPy, Quito vb. araçlar ile metamorfik, kombinasyonel ve arama tabanlı test tekniklerinden bahsedilmiştir. Kuantum test mühendisliği alanında görülen standartlaşma problemi üzerinde değerlendirmeler yapılmıştır. Bu çalışma, kuantum test teknikleri ve araçları üzerinde çalışma yapmak isteyen araştırmacılara bir rehber niteliğindedir.
Şifreleme sistemleri gizli değerlerin korunmasını sağlamakta olan sistemlerdir. Bu sistemlere karşı son yıllarda kuantum bilgisayarlar üzerinde çok sayıda araştırmalar yapılmaktadır. Yeterli işlem kapasitesine sahip kuantum bilgisayarlar üretildiğinde günümüzde kullanılmakta olan açık anahtarlı şifreleme sistemlerinin güvensiz duruma geleceği düşünülmektedir. Bu durum internet üzerindeki haberleşmenin güvenliğini tehlikeye atmaktadır. Bu durumdan dolayı, kuantum bilgisayarlara karşı güvenli sistemlerin oluşturulması için kuantum bilgisayarların günlük hayata girmesinin beklenmemesi gerektiği düşünülmektedir. NIST bu doğrultuda hem günümüz hem de kuantum bilgisayarlardan gelecek ataklara karşı dayanıklı kriptosistemlerin üretilmesi için bir standartlaştırma proje başlatmıştır. Bu süreçte birçok sistem önerilmiştir. Kafes tabanlı sistemler en çok gelecek vadeden sistemler olarak ön plana çıkmıştır. Kafes tabanlı kriptosistemler kafes yapısı üzerinde tanımlı olan LWE gibi problemlerin çözümlerinin zorluğuna dayanarak önerilmiş olan sistemlerdir. Fakat yan kanal saldırıları ile kriptografik sistemler çalışırken çıkan bilgiler toplanarak gizli anahtar hakkında bilgi edinilebilmektedir. Bu durumdan dolayı NIST kuantum bilgisayarlara karşı dayanıklı şifreleme sistemleri için yaptığı çağrının yanı sıra, yapılacak sistemlerin minimum maliyetle yan kanal saldırılarına karşı dayanıklı olmasını gerektiğini söylemiştir. 2016 yılında Bindel ve arkadaşlarının yaptıkları bir çalışmada uygulama atağı olarak sınıflandırılan ve bir yan kanal saldırı çeşidi olan hata ataklarını önermişlerdir. 2018 yılında Han ve arkadaşları yaptıkları bir çalışmada, 2016 yılında önerilen yöntemleri kullanarak Lizard protokolünde gizli anahtarı elde edebildiklerini söylemişlerdir ve bu ataklara karşı alınabilecek önlemlerden bahsetmişlerdir. Bu çalışmada; önceden yapılan çalışmalarda önerilenler ve kriptosistemlerin uygulamalarında olması gereken özellikler doğrultusunda Lizard protokolünün uygulaması üzerinde yapılan değişikliklerden ve bu değişikliklerin uygulama üzerindeki etkilerinden bahsedilmiştir. Protokolün uygulamasının güvenliği artırılmış ve gerçekleştirilen bazı hata ataklarına karşı önlem alınmıştır. Yapılan değişikliklerden sonra protokolün çalışma süresinde hızlanma olduğu gözlemlenmiştir.
Kuantum hesaplama, geleneksel bilgisayarların yapamayacağı kadar karmaşık hesaplamaları çok daha hızlı ve daha verimli gerçekleştirmeye olanak tanıyan bir teknolojidir. Ancak kuantum bilgisayarların çalıştırılması için özel olarak tasarlanmış kuantum algoritmalara ihtiyaç duyulmaktadır. Bu algoritmaların kuantum bilgisayarlarda verimli bir şekilde çalıştırabilmek için uygun derleyici ve kuantum bilgisayar seçimi kritik öneme sahiptir. Bu çalışmada kauntum programlama ve derleyicileri hakkında bilgiler verilerek, literatürdeki kuantum derleyicilerin karşılaştırmaları gerçekleştirilmiştir. Örnek bir soyut kuantum devre 5 kübtlik ibmq_belem, ibmq_quito ve ibmq_manila kuantum bilgisayarlarında çalıştırılarak, kuantum devrelerin çalışma mantığı uygulamalı olarak açıklanmıştır. Yapılan analizlerler sonucu L tipi kübit bağlantısına sahip ibmq_manila bilgisayarının ortalama %86 ile daha başarılı sonuçlar ürettiği gözlemlenmiştir. Diğer taraftan T tipi kübit bağlantılarına sahip ibmq_quito ve ibmq_belem bilgisayarlarının ürettikleri sonuçların başarısı ortaalama %82 ve %48 ile sınırlı kalmaktadır. Aynı kübit bağlantısına sahip bu bilgisayarların başarımları arasındaki gözle görülür farkın sebebi kübit ve bağlantılardaki hata oranlarının olduğu sonucuna varılmıştır.
Kuantum hesaplama, kuantum algoritmaların çözüm kümesini bilinmeyen bir kuantum durumun evrimsel sürecinde kubitlere kodlanması prensibine dayanır. Bir başlangıç kuantum durumun çözüm durumuna geçmesi için bir dizi temel kuantum kapının uygulanması gerekmektedir ve matematiksel matrisler ile soyutlanırlar. Temel kuantum kapılarının matrisleri Weyl dönüşümleri ile elde edilirler. Her ne kadar ikili kuantum sistemlerde bu dönüşümler simülasyonu yapılabilse de yüksek boyut kuantum sistemlerde simülatörler için kullanılabilen hazır durumda bir kütüphane veya benzeri bir kodlama bulunmamaktadır. Bu çalışma ile kuantum yüksek boyutta Weyl dönüşümlerinin matrisleri kodlanmış olup bu dönüşümler Cirq kuantum simülatörü için kapılar olarak kodlanmıştır. Böylelikle araştırmacılar ve alana meraklıları için Cirq simülatöründe çalışan kuantum kapılar kolayca erişilebilir olmaktadır.
19. yüzyılın sonu, fizik alanında klasik veya modern fizik olarak nitelenen Newton fiziği kabulleri ile anlamlandırılamayan farklı yapısal özellikleri bünyesinde barındıran çeşitli problem alanlarının ortaya çıktığı bir döneme karşılık gelmektedir. Bu problemleri çözme adına yapılan çalışmalar neticesinde 20. yüzyılın başlarında klasik fizik prensiplerinden farklı prensiplere sahip olan yeni bir fizik ortaya çıkmıştır. Bu yeni fizik kuantum fiziğidir. Atom-altı evrendeki nesnelerin davranış biçimlerinin soruşturulması, kuantum fiziğinin ilgisini teşkil etmektedir. Newton’un, hiçbir parçaya bölünemez olarak kabul ettiği atom, kuantum fiziği çalışmalarıyla daha küçük parçalara ayrıştırılabilen ve bu bakımdan da içine nüfuz edilebilen bir soruşturmanın konusu kılınmıştır. Kuantum fiziği, modern fiziğin sabit, birbirinden tamamen yalıtılmış temel parçacıklardan oluştuğu varsayımına dayanan evren tasavvurunu değiştirmiş; evreni oluşturan parçacıklar arasında yalıtılmışlığın değil, ilişkisel süreçlerin hâkim olduğu yönünde bir görüşün ortaya çıkmasını sağlamıştır. Bu fizik ile birlikte atom-altı evrende, makro evrenin karakteristiği olarak kabul edilen mekanikçi-determinist yaklaşım biçimine uymayan yeni olguların varlığı keşfedilmiştir. Bu keşiflerin varlığı, klasik fiziğin dayandığı “uzay”, “zaman”, “nesne”, “gözlemci”, “ölçüm”, “etki”, “yerellik” ve “etkileşim” gibi temel kavramlarda köklü bir değişimi zorunlu kılmıştır. Zira kuantum fiziğinin mikro evrende dikkat çektiği olguların mahiyeti, klasik fiziğin bu kavramlar bağlamında oluşturduğu kabuller ile örtüşmemektedir. Bu örtüşmeme durumu ise temelde her iki alanda meydana gelen olguların farklı bir mantıksal şemaya göre ortaya çıkıyor olmasından kaynaklanmaktadır. Zira klasik mekanik, klasik mantığın temel ilkelerine dayanarak etkinlikte bulunmuştur. Fakat kuantum fiziğinin gönderimde bulunduğu olgu durumları, klasik mantığın bu temel ilkelerine uymamaktadır. Bu açıdan, kuantum fiziği bulguları, klasik mantıksal ilkelere dayalı düşünce yapısı ile anlamlandırılamamaktadır. Fakat günümüzde kuantum fiziğinin temel vurgusu olan belirsizliği gündemine alan bulanık mantık perspektifinden bu anlamlandırmayı yapmak olanak dâhilinde görünmektedir. Günümüzde belirsizlik kavramı artık bilimsel sürece dâhil olmuştur. Kuantum kuramının, kesinsizliği bir ilke olarak içeren belirsizliğe gönderim yapmasına paralel olarak, bulanık mantık da belirsizliği tüm bilgi süreçlerine dâhil etmiş, belirsizliği, kaçınılması gereken bir durum olarak değil aksine değerlendirilmesi gereken bir durum olarak bünyesine almıştır. Bu bakımdan bu çalışmanın amacı klasik mantık ilkeleri bağlamında şekillenen klasik düşünce tarzı ile tasviri yetersiz kalan kuantum fiziğinin ortaya koyduğu temel ilkeleri, günümüzde başta yapay zekâ çalışmaları olmak üzere mühendislik alanında önemli uygulama alanı yaratan bulanık mantık perspektifinden tasvir edilebileceğini ortaya koymaktır. Bu doğrultuda çalışmamızda ilk olarak kuantum fiziğinin ortaya çıkmasına sebep olan süreç genel hatları ile ele alınmış, devamında kuantum fiziğinin standart görüşü haline gelmiş Kopenhag Okulu’nun görüşleri baz alınarak temel ilkeleri ortaya konulmuştur. Genel çerçevesi çizilen kuantum fiziğinin gönderimde bulunduğu olguların, klasik mantığın üç temel ilkesi ile sınırlı kalındığında tasvir edilemeyeceğine değinildikten sonra bu tasviri yapmayı mümkün kıldığını düşündüğümüz bulanık mantık sistemi ortaya konulmuştur. Nihayetinde kuantum fiziğinin temel ilkelerinin hangi bağlamlarda bulanık mantık teorisi ile ilişkilendirilebilir olduğu gösterilmeye çalışılmıştır. Bu minvalde yapılan soruşturma neticesinde kuantum fiziğinin bulanık mantık perspektifinden tasvir edilebileceği sonucuna varılmıştır. Bu ilişkiyi ortaya koymanın temel hedeflerinden biri felsefi etkinlik açısından önemli bir zemin oluşturmak olmuştur. Zira nasıl ki modern bilim paradigmasını belirleyen önemli gelişmelerden olan Newton fiziği, klasik mantığa temel oluşturmuş ve bu bakımdan da klasik mantık, klasik fizikten etkilenen felsefî düşünüş biçimlerine bir çerçeve çizmiş ise, benzer biçimde kuantum fiziğinin bulanık mantık ile ilişkisini ortaya koymak, bulanık mantığın da kuantum fiziğine eşlik edecek felsefi düşünüş biçimlerine bir çerçeve çizebileceğini gösterecektir. Bu bakımdan bu çalışma, kuantum fiziği ile bulanık mantığın bilim zemininde birbirine eşlik ettiğini göstermeyi amaç edinmiştir.
Kuantum fiziği, elde edilen gelişmeler ile teknoloji alanına hizmet etme kapasitesi olduğunu kanıtlamıştır. Bu alanlardan en önemlilerinden birisi de askeri kullanım alanlarıdır. NATO bünyesinde de bu teknolojinin gelecek muharebe ortamının bir parçası haline gelmesi için müttefikler arasında iş birliği için stratejiler üretilmiştir. Bununla birlikte kuantum teknolojilerinin kullanımında hassasiyet ve altyapı gibi temel kısıtlar bulunmaktadır. Sistemin atom altı boyutta çalışıyor olması dış etkenlere karşı hassasiyeti muharebe ortamında uygulanmasını kısıtlayan bir etken haline gelmiştir. İkinci olarak sistemlerin hassasiyetinden ve uygulamanın güncel teknoloji ile gerçekleşmesinin güç olması sistemlerin kurulumundaki altyapı sorunun oluşmasına neden olmaktadır. Silahlı kuvvetlerin böyle bir değişime adaptasyonunu sağlaması için geçmiş teknolojik gelişmelere karşı yapmış olduğu doktrin ve teşkilat revizyonlarından farklı adımlar atması gerekmektedir. Kuantum revizyonu, silahlı kuvvetlerin adaptasyon sağlaması için kuantum teknolojilerinin askeri kullanım alanlarının araştırılarak bu alanlara karşı değişimde izlenilecek yolun araştırıldığı revizyon konseptidir.
Tersinir kuantum devreleri farklı türde ve sayıdaki kuantum kapıları kullanılarak oluşturulmaktadır. Kuantum devreleri oluşturulurken kullanılacak kapı sayısının optimize edilmesi maliyeti ve karmaşıklığı azaltmaktadır. Tersinir kuantum devrelerinde durum tablolarının elde edilmesi ve optimizasyonu için giriş sayısı, çıkış sayısı ve kapı sayılarının bilinmesi önemlidir. Ayrıca bu parametreler kuantum devrelerinde oluşabilecek arızaların tespit edilmesinde de kullanılmaktadır. Literatürde kuantum devreleri için giriş, çıkış ve kapı sayılarının tespitinde eksiklik vardır. Ayrıca, literatürde yapılan uygulamaların test edilebilmesi için sınırlı sayıdaki standart kuantum devreleri kullanılmaktadır. Bu kapsamda kullanılabilecek veri setlerinin çok az olduğu tespit edilmiştir. Literatürdeki bu eksikliklerin giderilmesi çalışmamızın amacını, önerilen yöntem ise çalışmamızın özgünlüğünü oluşturmaktadır. Bu çalışmada Yolo (You Only Look Once) tabanlı yöntemler kullanılarak kapı sayısı ve giriş sayısı tespit edilmiştir. “MATLAB” ve “RCViewer+” programları kullanılarak CNOT, Feynman ve Toffoli kapılarından oluşan büyük bir veri seti oluşturulmuştur. Bu çalışmada, 1-8 kapı sayısına ve 3-7 giriş sayısına sahip toplamda 5000 adet kuantum devre oluşturulmuştur. Elde edilen veri setleri üzerinde kapılar ve girişler etiketlenmiştir. Etiketlenen veri setleri üzerinde 80:20 eğitim ve test oranı ile YoloV4, YoloV7 ve YoloV7x yöntemleri uygulanmıştır. YoloV4, YoloV7 ve YoloV7x yöntemleri için sırasıyla %87.1, %89.7 ve %89.3 mAP hesaplanmıştır. Önerilen yöntem 2800 iterasyon çalıştırılmış ve en iyi sonuç YoloV7 algoritması ile elde edilmiştir.