Kuantum bilgisayar üretiminde büyük adım
Princeton Üniversitesi’ndeki araştırmacılar tarafından idare edilen bir ekip, gündelik malzemeler kullanılarak kuantum tabanlı bir bilgisayar yapmaya yönelik büyük bir adım attı; iki elektron arasındaki kuantum davranışını son derece hassas bir biçimde kontrol edebilen bir silikon donanım malzemesi üretildi.
Catherine Zandonella*
Araştırma ekibi, elektronlar arasındaki etkileşimlerin kuantum hesaplama için gerekli olan kuantum bit bilgi veya “kubit” (kbit) biçiminde hareket etmelerine olanak sağlayan bir geçit yarattı. Neredeyse hiç hata içermeyen bu iki kubitli geçidin yaratılması, klasik bilgisayarlarda ve akıllı telefonlarda kullanılanlarla aynı olan malzemeden, yani silikondan, daha karmaşık yapıdaki kuantum bilgisayar donanımının oluşturulmasında çok önemli bir ön süreç anlamına geliyor.
Princeton Üniversitesi’nde fizik profesörü olan Jason Petta, “Silikon tabanlı teknoloji sayesinde, gelecekte kuantum bilgisayarları inşa etme ve onları yükseltme olanağına sahip olabilmek için bu deneyin işe yaraması gerektiğini düşünüyorduk,” diyor. “Yüksek kalitedeki bu iki kubit geçidin oluşturulması, daha geniş ölçekteki deneylere de kapı aralıyor.”
DAHA UCUZ VE ÜRETİMİ KOLAY
Kuantum bilgisayar oluşturmak amacıyla kullanılan silikon bazlı aygıtlar, diğer teknolojilerle kıyaslandığında daha ucuz ve daha kolay üretime imkân sağlıyor. Diğer bazı araştırma ekipleri ve şirketler, 50 veya daha fazla kubit içeren kuantum cihazları ürettiklerini açıklamış olsalar bile, bu sistemler lazerlerle sabitlenen süper iletkenler ve yüklü atomlar gibi egzotik materyallere ihtiyaç duyuyorlar.
Kuantum bilgisayarlar, mevcut bilgisayarlar aracılığıyla çözümlenemeyen sorunlara cevap bulabilir. Aygıtlar, son derece büyük sayıları faktör haline getirebilir veya karmaşık problemlere ilişkin en uygun çözümleri tespit edebilir. Araştırmacıların atomlar ve moleküller gibi son derece küçük parçacıkların fiziksel özelliklerini açığa çıkarmalarına da olanak sağlayabilirler; bu da malzeme üretim çalışmaları ve yeni ilaçların keşfedilmesi gibi farklı alanlarda yeni gelişmelere yol açabilir.
Bir kuantum bilgisayar oluşturmak, araştırmacıların kubit çifti oluşturmalarını ve bunların birbirlerine son derece bağlı olmalarını sağlamalarını gerektirir. Silikon tabanlı kuantum aygıtlar, bilgiyi kodlamak için elektronların “spin” (dönüş) adı verilen bir kuantum özelliğini kullanır. Spin, bir mıknatısın kuzey ve güney kutuplarına benzer şekilde yukarı veya aşağı yönlerden birini işaret edebilir. Buna karşın, klasik bilgisayarlar, elektronların negatif yükünü yönlendirerek çalışma prensibine sahipler.
Yüksek performanslı, spin temelli bir kuantum cihazı elde edilmesinin önünde, spin durumlarının hassaslığıyla ilişkili temel bir sorun var; oldukça saf bir ortamda dış etkilere karşı izole edilmediği sürece, kolayca yukarıdan aşağıya veya tersi yönde hareket edebilirler. Araştırmacılar Princeton Quantum Device Nanofabrication Laboratory’de (Princeton Kuantum Cihaz Nano-üretim Laboratuvarı) silikon kuantum aygıtları inşa ederek, spinleri (kuantum durumlarında) görece uzun süreler boyunca ve sabit bir halde tutabildiler.
Araştırmacılar iki kubit geçidi yaratmak için çok ince alüminyum telleri yüksek dereceli bir silikon kristal üzerine yerleştirdiler. Teller, bir enerji duvarıyla ayrılmış haldeki iki adet tek elektrona, “çift kuantum nokta” adı verilen sağlam bir yapı içerisinde elektrik akımı verdiler.
KUANTUM DOLAŞIKLIK İLKESİ KULLANILDI
Ardından, (elektronlar arasındaki) enerji duvarını geçici bir süreyle kaldıran araştırmacılar, elektronların kuantum bilgisini paylaşmalarına izin vererek, “kuantum dolaşıklık” adı verilen özel bir kuantum durumu yarattılar. Kapana kısılmış ve dolaşık haldeki bu elektronlar, geleneksel bilgisayar “bit”lerine (bayt) benzeyen ve süper güçler içeren kubitler olarak kullanıma hazır hale gelmiş oldular. Geleneksel bir “bit” (bayt) 0 veya 1’i temsil ederken, her kubit, eşzamanlı olarak hem 0 hem de 1 olabiliyor; böylece, anlık olarak karşılaştırılabilecek olası permütasyonların sayısını büyük ölçüde arttırıyor.
Princeton Fizik Bölümü’nde lisans öğrencisi ve araştırmanın yazarı olan David Zajac, “Uzun sabitleme sürelerine zarar vermeden tek elektronu yakalayacak ve kontrol edebilecek kadar küçük yapay sistemler oluşturmak epey zor,” diyor. “Bu çalışma, elektron spin (dönüş) durumları açısından en steril ortamlardan birini sağlamak amacıyla kullanılan silikonlarda, iki elektron spini arasındaki dolaşıklığa dair ilk gösterimdi.”
Araştırmacılar, ilk kubiti, ikinci kubiti kontrol etmek için kullanabileceklerini ve oluşturdukları yapıların, yaygın biçimde kullanılan bir bilgisayar devre bileşeninin kuantum versiyonu olan kontrollü bir NOT (CNOT) geçidi olduğunu ortaya koydular. Ardından, manyetik bir alan yaratarak ilk kubit oranını kontrol ediyorlar. Yaratılan geçit, ilk kubitin (iki kubit arasındaki dolaşıklık) durumuna bağlı olarak bir sonuç üretiyor: İlk kubit yukarıyı gösteriyorsa, ikinci kubitin spini aşağı dönüyor; ancak ilk spin aşağı dönükse ikincisi hareket etmiyor.
Petta, “Temel olarak, eğer bir parçacık belirli bir durumdaysa yarattığımız geçit aracılığıyla diğer parçacığa ne yapması gerektiğini söylüyor,” diyor. “Bir parçacığın davranışıyla diğer parçacığın davranışı birbirine bağlı.”
ÇIĞIR AÇICI BİR ÇALIŞMA
Araştırmacılar, yüzde 99’dan fazla bir doğruluğa sahip olan kuantum durumlarındaki elektron spinlerini koruyabildiklerini ve oluşturulan geçidin, ikinci kubitin spinini, sürenin yaklaşık yüzde 75’inde döndürmek noktasında güvenli bir biçimde çalıştığını ispatladılar. Ayrıca ekip, yaratılan teknolojinin, daha düşük hata oranlarına sahip daha fazla kubit’e ölçeklenme potansiyeli taşıdığını da belirtiyorlar.
California-Los Angeles Üniversitesi’nde fizik ve astronomi profesörü olan HongWen Jiang, “Mevcut çalışma, dünya çapında kuantum hesaplamada temel bir yapı taşı olan CNOT geçidini, silikon tabanlı kubitlerde göstermek amacını taşıyan yarışta öne çıktı,” diyor. “İki kubit’lik işlem için hata oranı şüpheye yer bırakmayan ve dünya çapında kabul görmüş kıstaslara göre değerlendirildi. Oldukça karmaşık durumların hassas biçimde kontrol edilmesini ve özgün bir aygıt üretilmesini gerektiren bu olağanüstü zorlu deneyin, yalnızca birkaç araştırmacıdan oluşan bir üniversite laboratuvarında gerçekleştirilmesi, gerçekten de etkileyici.”
Princeton’daki diğer araştırma katılımcıları, bir lisansüstü eğitim öğrencisi olan Felix Borjans ve yardımcı araştırma görevlisi Anthony Sigillitor. Ekip, Maryland Üniversitesi Ortak Kuantum Enstitüsü, Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü ve ayrıca Kuantum Bilgi ve Bilgisayar Bilimleri bölümlerinin oluşturduğu ortak merkezde profesör olan Jacob Taylor ile Almanya’daki Konstanz Üniversitesi’nden Maximilian Russ ve Guido Burkard’ın çalışmalarının kuramsal alanına ilişkin verileri araştırıyordu. Aygıtlar, Princeton Üniversitesi Kuantum Cihaz Nano-üretim Laboratuvarı’nda üretildi.
Yazının aslı Princeton Üniversitesi'nin sayfasından alınmıştır. (Çeviren: Tarkan Tufan)