Kuantum Bilgisayar Keşfi: Daha İyi, Daha Hızlı Qubit’ler için Yeni Düzen Oluşuyor

Paul Scherrer PSI Enstitüsü’ndeki araştırmacılar, daha hızlı ve daha iyi tanımlanmış kuantum bit-kübitlerinin nasıl oluşturulabileceğine dair ayrıntılı bir plan hazırladılar. Merkez elementler, nadir toprak metalleri kategorisindeki manyetik atomlardır ve bir materyalin kristal kafesine seçici olarak implante edilir. Bu bireylerin her biri bir kübiti temsil eder. Araştırmacılar, bu kübitlerin nasıl etkinleştirilebileceğini, karıştırılabileceğini, bellek bitleri olarak kullanılabileceğini ve okunabileceğini gösterdi. Şimdi tasarım fikirlerini ve destekleyici hesaplamaları PRX Quantum dergisinde yayınladılar.

Kuantum bilgisayarlara giderken, ilk gereksinim, kuantum bitleri veya “kübitler” denilen şeylerin oluşturulmasıdır: klasik bitlerin aksine, yalnızca sıfır ve birin ikili değerlerini değil, aynı zamanda herhangi bir keyfi de alabilen bellek bitleri bu durumların kombinasyonu. Kübitlerle ilgili yeni bir makalenin ilk yazarı olan PSI araştırmacısı Manuel Grimm, “Bu, bazı uygulamalar için hesaplama gücünde büyük bir hızlanma anlamına gelen yepyeni bir bilgi işlem ve veri işlemeyi mümkün kılıyor,” diyor.

Manuel Grimm
Manuel Grimm, Paul Scherrer Enstitüsü’nde teorik bir fizikçi ve geleceğin kuantum bilgisayarlarını inşa etmek için temel üzerinde çalışıyor. Kredi: Paul Scherrer / Markus Fischer Enstitüsü

Yazarlar, mantıksal bitlerin ve temel bilgisayar işlemlerinin manyetik bir katı üzerinde nasıl gerçekleştirilebileceğini açıklar: kübitler, bir konak materyalin kristal kafesine gömülü, nadir toprak element sınıfından bireylerde bulunur. Kuantum fiziğine dayanarak, yazarlar nadir toprak atomlarının nükleer dönüşünün bir bilgi taşıyıcı, yani bir kübit olarak kullanım için uygun olacağını tahmin ediyorlar. Ayrıca, hedeflenen lazer darbelerinin bilgiyi kişinin elektronlarına anında iletebileceğini ve böylece bilgilerinin çevredeki atomlar tarafından görünür hale gelmesini sağlayan kübitleri etkinleştirebileceğini öne sürüyorlar. Bu tür aktive edilmiş iki kübit birbiriyle iletişim kurar ve bu nedenle “dahil olabilir”. Dolaşıklık, kuantum bilgisayarlar için gerekli olan çok parçacıklı kuantum sistemlerinin veya kübitlerin özel bir özelliğidir: Bir kübitin ölçülmesinin sonucu doğrudan diğer kübitlerin ölçülmesinin sonuçlarına bağlıdır ve bunun tersi de geçerlidir.

Daha hızlı demek, hatalara daha az meyilli olmak demektir
Araştırmacılar, bu kübitlerin mantık kapıları, özellikle “kontrollü kapı” (CNOT kapısı) yapmak için nasıl kullanılabileceğini gösteriyorlar. Mantık kapıları, klasik bilgisayarların hesaplamaları yapmak için de kullandıkları temel yapı taşlarıdır. Yeterince çok sayıda CNOT portalının yanı sıra bir kübitlik bağlantı noktaları birleştirilirse, herhangi bir hesaplama işlemi mümkündür. Dolayısıyla kuantum bilgisayarların temelini oluştururlar.

Bu çalışma, kuantum mantık kapılarını öneren ilk çalışma değil. Grimm, “Kübitleri etkinleştirme ve devreye alma yöntemimiz, önceki karşılaştırılabilir önermelere göre belirleyici bir avantaja sahip: En az on kat daha hızlı,” diyor Grimm. Bununla birlikte, avantaj, yalnızca bu fikre dayanan bir kuantum bilgisayarın hesaplayabileceği hız değildir. Her şeyden önce, sistemin hatalara karşı hassasiyetini ele alır. “Qubit’ler çok kararlı değil. Grimm, “Etkileşim süreci çok yavaşsa, kübitlerden bazılarının bu arada bilgilerini kaybetme olasılığı daha yüksektir” diye açıklıyor Grimm. Nihayetinde, PSI araştırmacılarının keşfettiği şey, bu tür bir kuantum bilgisayarı karşılaştırılabilir sistemlerden en az on kat daha hızlı değil, aynı zamanda aynı faktörden kaynaklanan hatalara daha az eğilimli hale getirmenin bir yolu.