Kuantum bilgisayarlar, en güçlü klasik süper bilgisayarların çözmesi onlarca yıl sürebilecek karmaşık problemleri çok daha kısa sürede çözebilir. Ancak bunu başarabilmeleri için, işlemleri verimli biçimde gerçekleştirebilecek ölçüde büyük ve kararlı olmaları gerekir. Bu zorluğu aşmak amacıyla MIT ve diğer kurumlardaki araştırmacılar, ultra-kompakt fotonik çipler üzerine kurulu tuzaklanmış-iyon (trapped-ion) kuantum bilgisayarları geliştirmektedir. Çip tabanlı bu sistemler, hacimli optik donanıma dayanan mevcut tuzaklanmış-iyon kuantum bilgisayarlarına kıyasla ölçeklenebilir bir alternatif sunmaktadır.
Bu kuantum bilgisayarlarda bulunan iyonların, titreşimleri en aza indirmek ve hataları önlemek amacıyla son derece düşük sıcaklıklara kadar soğutulması gerekir. Bugüne kadar fotonik çiplere dayalı bu tür tuzaklanmış-iyon sistemleri, verimsiz ve yavaş soğutma yöntemleriyle sınırlı kalmıştır.
Şimdi ise MIT ve MIT Lincoln Laboratory’den oluşan bir araştırma ekibi, fotonik çipler kullanarak tuzaklanmış iyonları soğutmak için çok daha hızlı ve enerji açısından daha verimli bir yöntem geliştirmiştir. Bu yaklaşımla, standart lazer soğutmasının sınırının yaklaşık 10 kat altına kadar soğutma elde edilmiştir.
Bu tekniğin temelinde, sıkı biçimde odaklanmış ve birbiriyle kesişen ışık demetlerini yönlendirmek üzere hassas şekilde tasarlanmış antenler içeren bir fotonik çip yer almaktadır.
Araştırmacıların ilk gösterimi, ileride daha yüksek verimlilik ve kararlılığa sahip kuantum hesaplama sistemlerini mümkün kılabilecek ölçeklenebilir çip tabanlı mimarilere doğru kritik bir adımı temsil etmektedir.
Bu mimari üzerine hazırlanan makalenin kıdemli yazarı olan MIT Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri (Electrical Engineering and Computer Science – EECS) Bölümü’nden, Elektronik Araştırma Laboratuvarı (Research Laboratory of Electronics) üyesi ve Robert J. Shillman Kariyer Geliştirme Doçenti (Career Development Associate Professor) Jelena Notaros şöyle demektedir: “Polarizasyon çeşitliliğine (polarization diversity) sahip tümleşik fotonik (integrated photonics) aygıtları tasarlayabildik; bunları kullanarak çeşitli yeni tümleşik-fotonik tabanlı sistemler geliştirdik ve oldukça verimli iyon soğutmasını gösterdik. Ancak bu aygıtlarla yapabileceklerimizin henüz başlangıcındayız. Tümleşik-fotonik tabanlı tuzaklanmış-iyon sistemlerine polarizasyon çeşitliliğini dahil ederek bu çalışma, yalnızca verimli iyon soğutmanın ötesinde, daha önce erişilemeyen birçok ileri işlemin kapısını aralıyor — bunlar gelecekte heyecanla keşfetmek istediğimiz araştırma yönleridir.”
Makalenin başyazarları; EECS yüksek lisans öğrencisi Sabrina Corsetti, eski doktora sonrası araştırmacı olup şu anda MIT Lincoln Laboratory’de kadrolu bilim insanı olarak görev yapan Ethan Clements, Fizik Bölümü yüksek lisans öğrencisi Felix Knollmann, Lincoln Laboratory’de teknik kadronun kıdemli üyesi ve MIT Kuantum Mühendisliği Merkezi’nde (Center for Quantum Engineering) baş araştırmacı olan John Chiaverini’dir. Çalışmaya Lincoln Laboratory ve MIT’den diğer araştırmacılar da katkı sunmuştur. Araştırma, bugün Light: Science and Applications ve Physical Review Letters dergilerinde yayımlanan iki ortak makalede yer almaktadır.
Ölçeklenebilirliği Hedeflemek
Kuantum sistemlerinin birçok türü bulunmakla birlikte, bu araştırma tuzaklanmış-iyon kuantum hesaplama yaklaşımına odaklanmaktadır. Bu uygulamada, bir atomdan bir elektron koparılarak iyon adı verilen yüklü bir parçacık oluşturulur; ardından iyon, radyo-frekans (RF) sinyalleri kullanılarak tuzaklanır ve optik sinyaller ile manipüle edilir.
Araştırmacılar, tuzaklanmış iyonun durumunu değiştirerek bilgiyi kodlamak için lazerleri kullanır. Böylece iyon, bir kuantum biti (quantum bit – qubit/kübit) olarak işlev görür. Kübitler, kuantum bilgisayarın temel yapı taşlarıdır.
İyonların havadaki gaz molekülleriyle çarpışmasını önlemek için vakum altında tutulmaları gerekir; bu vakum genellikle kriyostat (cryostat) adı verilen bir aygıtla sağlanır. Geleneksel olarak, hacimli lazer sistemleri kriyostatın dışında konumlanır ve kriyostat pencerelerinden çipe doğru farklı ışık demetleri gönderilir. Bu düzenekler, yalnızca birkaç düzine iyonu hedefleyebilmek için bir oda dolusu optik bileşen gerektirir; bu da ileri kuantum hesaplama için ihtiyaç duyulan çok sayıda iyondan oluşan sistemlere ölçeklenmeyi zorlaştırır. Ayrıca kriyostat dışındaki küçük titreşimler bile ışık demetlerini bozarak kuantum bilgisayarın doğruluğunu düşürebilir. Bu sorunları aşmak amacıyla MIT araştırmacıları, tümleşik fotonik tabanlı (integrated-photonics-based) sistemler geliştirmektedir. Bu yaklaşımda ışık, iyonu tuzaklayan çiple aynı çipten yayımlanır. Böylece harici optik bileşenlere duyulan ihtiyaç ortadan kalkar ve ölçeklenebilirlik artar.
Knollmann bunu şöyle ifade etmektedir: “Artık tek bir çip üzerinde, her biri birçok iyonla arayüz kuran binlerce bölge (site) olabileceğini ve bunların ölçeklenebilir biçimde birlikte çalışabileceğini hayal edebiliyoruz.” Ancak bugüne kadar gerçekleştirilen tümleşik-fotonik tabanlı gösterimler, sınırlı soğutma verimlilikleri ile kısıtlı kalmıştır.
Soğukkanlı Kalmak
Hızlı ve doğru kuantum işlemlerini mümkün kılmak için araştırmacılar, tuzaklanmış iyonun kinetik enerjisini azaltmak amacıyla optik alanlar kullanır. Bu, iyonun etkin sıcaklığının neredeyse mutlak sıfıra yaklaşacak şekilde düşmesine yol açar; bu değer, kriyostatların dahi sağlayabildiğinden daha düşük bir “etkin sıcaklığa” karşılık gelir.
Ne var ki yaygın yöntemlerde soğutmanın erişebildiği alt sınır (cooling floor) daha yüksektir; dolayısıyla süreç tamamlandıktan sonra iyon hâlâ önemli miktarda titreşim enerjisine sahip olur. Bu durum, kübitlerin yüksek kaliteli hesaplamalarda kullanılmasını zorlaştırır.
MIT araştırmacıları, polarizasyon-gradyan soğutması (polarization-gradient cooling) olarak bilinen daha karmaşık bir yaklaşımı kullanmıştır. Bu yöntem, iki ışık demetinin hassas etkileşimini içerir.
Her ışık demeti farklı bir polarizasyona sahiptir; yani her demetteki elektrik alan farklı bir yönde salınır (yukarı-aşağı, sağa-sola vb.). Bu demetler kesiştikleri noktada, iyonun titreşimini daha verimli biçimde bastırabilen dönen bir ışık girdabı (vortex) oluşturur.
Bu yaklaşım daha önce hacimli optik sistemler (bulk optics) kullanılarak gösterilmiş olsa da, tümleşik fotonik kullanılarak daha önce ortaya konmamıştı.
Bu daha karmaşık etkileşimi mümkün kılmak için araştırmacılar, iki adet nanoskopik anten içeren bir çip tasarlamıştır. Bu antenler, çipten dışarı ışık demetleri yayarak çip üzerindeki iyonu manipüle eder.
Antenler, ışığı bu yapılara yönlendiren dalga kılavuzları (waveguides) ile birbirine bağlanmıştır. Dalga kılavuzları, optik yönlendirmeyi kararlı hâle getirecek şekilde tasarlanmıştır; bu da demetlerin oluşturduğu girdap deseninin kararlılığını artırır.
Clements şöyle diyor: “Işığı tümleşik antenlerden yaydığımızda, hacimli optikten farklı davranıyor. Demetler ve üretilen ışık desenleri son derece kararlı hâle geliyor. Bu kararlı desenler sayesinde iyon davranışlarını çok daha yüksek bir kontrol düzeyiyle inceleyebiliyoruz.”
Araştırmacılar ayrıca, iyona ulaşan ışık miktarını en üst düzeye çıkarmak için antenleri özel olarak tasarlamıştır. Her anten, ışığı yukarı doğru saçan küçük kavisli oyuklara (curved notches) sahiptir ve bu oyuklar, ışığı iyona yönlendirecek şekilde hassas aralıklarla yerleştirilmiştir.
Corsetti, “Lincoln Laboratory’deki uzun yıllara dayanan geliştirmeler üzerine inşa ederek, farklı polarizasyonlarda ışık yayacak bu ızgara (grating) yapılarını tasarladık,” diyor.
Ekip, ışığın nasıl yayıldığını daha iyi anlamak amacıyla birden fazla mimariyi deneyerek her birini ayrı ayrı karakterize etmiştir.
Son tasarımla araştırmacılar, standart lazer soğutmasının Doppler sınırı (Doppler limit) olarak bilinen limitinin neredeyse 10 kat altına inen bir iyon soğutması göstermiştir. Çip, bu seviyeye yaklaşık 100 mikrosaniyede ulaşabilmiş; bu süre, diğer tekniklere kıyasla birkaç kat daha hızlıdır.
Chiaverini şunu ekliyor: “İyon-tuzak çipine tümleşik optikler entegre edilerek performansın artırıldığını gösteren bu çalışma, kuantum durumunun manipülasyonu için yeni yaklaşımlara olanak sağlayabilecek daha ileri tümleşikleştirmelere temel oluşturuyor ve pratik kuantum-bilgi işleme (quantum-information processing) olasılığını güçlendirebilir. Bu ilerlemenin anahtarı, MIT kampüsü ile Lincoln Laboratory grupları arasındaki enstitüler arası iş birliğiydi; bundan sonra atacağımız adımlarda bu modeli daha da geliştirebiliriz.”
Gelecekte ekip, farklı çip mimarileri üzerinde karakterizasyon deneyleri yürütmeyi ve birden fazla iyonla polarizasyon-gradyan soğutmasını göstermeyi planlamaktadır. Ayrıca, bu mimariyle üretilebilen kararlı ışık demetlerinden yararlanabilecek başka uygulamaları da araştırmayı hedeflemektedir.
Çeviren: Büşra Özer
Redaktör: Saim Egemen Yücel
Bilimsel Redaktör: Yasemin Poyraz Koçak
