Dev atomik iyonların kullanımıyla kuantum hesaplama hızlanıyor

Uluslararası bir araştırma ekibi, bilgisayarların işlem gücü kapasitesinde büyük atılımların yolunu açabilecek kuantum hesaplamayı hızlandırmak için yeni bir yol keşfetti.

Nottingham Üniversitesi ve Stockholm Üniversitesi’nden bilim insanları, yeni bir deneysel yaklaşım kullanarak sıkışmış iyonlarla (trapped ions), kuantum hesaplamayı hızlandırdı. Sıkışmış Rydberg iyonları (trapped Rydberg ions) ile ilgili sonuçları da Nature dergisinde yayınlandı.

Kuantum Dolaşıklığı Arttırmak

Bir kuantum bilgisayarı, kuantum kapıları, yani atomlar ve moleküller gibi mikroskopik kuantum parçacıklarından yapılan kuantum bitleri (kübitler) üzerindeki temel devre işlemleri kullanılarak çalıştırılır. Bir kuantum bilgisayarında temel olarak mekanizma, durumlarını artık klasik fizik tarafından tanımlanamayacak şekilde iki veya bir grup kubiti birbirine bağlayabilen kuantum dolaşıklığın kullanılmasıdır. Kuantum bilgisayarın kapasitesi kübit sayısıyla orantılı olarak katlanarak artar. Kuantum dolaşıklığının verimli kullanımı, kuantum bilgisayarın kriptografi, malzeme ve tıp bilimleri gibi alanlarda zorlu problemlerle başa çıkabilme kapasitesini önemli ölçüde artırır.

Bir kuantum bilgisayarı yapmak için kullanılabilecek farklı fiziksel sistemler arasında, sıkışmış iyonlar yıllarca bu alandaki çalışmalara öncülük etmiştir. Büyük ölçekli sıkışmış iyon kuantum bilgisayarının önündeki ana engel olarak karşımıza çıkmaktadır çünkü sistem büyüdükçe hesaplama işlemleri yavaşlamaktadır. Ancak bu yeni araştırma bu sorunun çözümünü bulmuş olabilir.

Yeni Olasılıklar

Şu anda, kuantum bilgisayarlarının karşılaştığı en büyük zorluklardan biri, her bir mantık geçidinde kullanılan dolaşık kübit sayısını arttırmaktır ki bu pratik kuantum hesaplaması için gereklidir. Ölçekleme kısmen zordur, çünkü sıkışmış iyon sistemlerinde yaygın olarak kullanılan çok kanallı geçitler, kuant sayısı arttıkça “spektral kalabalıklaşma” probleminden muzdarip olunur. Bununla birlikte, sıkışmış Rydberg iyon sistemleri “spektral kalabalıklaşmaya” karşı bağışıktır, bu da kısaca sıkışmış Rydberg iyon kodlarından üretilen kuantum bilgisayarlarının ölçeklenebilir kuantum bilgisayarlarını gerçekleştirmede yeni bir yol sunma olasılığını arttırıyor.

Deneysel çalışma Markus Hennrich ve grubu tarafından normal atomlardan veya iyonlardan 100.000.000 kat daha büyük dev Rydberg iyonları kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Son derece etkileşimli olan bu büyük iyonlar, mikro saniyeden daha kısa bir sürede kuantum bilgisi alışverişinde bulunur. Aralarındaki etkileşim kuantum dolaşıklık oluşturur.

Stockholm Üniversitesi’nden Chi Zhang ve meslektaşları, sıkışmış iyon sistemlerinde tipik olandan yaklaşık 100 kat daha hızlı bir kuantum hesaplama işlemi (dolaşıklık kapısı) yürütmek için dolaşık etkileşimi kullandılar.

Chi Zhang bu deneyin arkasındaki fikir şöyle açıklıyor:

“Genellikle daha büyük sistemlerde kuantum kapıları yavaşlar. Genel olarak Rydberg iyon kapıları için geçerli değildir! Kapımız, kuantum bilgisayarların gerçekten faydalı oldukları boyutlara ölçeklendirilmesine izin verebilir!”

Deneyi destekleyen ve hata kaynaklarını araştıran teorik hesaplamalar Weibin Li (Nottingham Üniversitesi, İngiltere) ve Igor Lesanovsky (Nottingham Üniversitesi, İngiltere ve Tübingen Üniversitesi, Almanya) tarafından yapılmıştır. Teorik çalışmalara göre, iyon kristalleri büyüdükten sonra herhangi bir yavaşlama beklenmediğini doğruladı ve ölçeklenebilir bir kuantum bilgisayarı olasılığını vurguladı.

Ayriyetten Nottingham Üniversitesi Fizik ve Astronomi Yüksekokulu Yardımcı Doçent Weibin Li şunları ekledi:

“Teorik analizimiz, sıkışmış bir Rydberg iyon kuantum bilgisayarının sadece hızlı değil, aynı zamanda ölçeklendirilebilir olduğunu ve çevresel endişe duymadan büyük ölçekli kuantum hesaplamayı mümkün kıldığını gösteriyor. Ortak teorik ve deneysel çalışma, sıkışmış Rydberg iyonlarına dayanan kuantum hesaplamanın hızlı kuantum kapılarını uygulamak için yeni bir yol açtığını ve aynı zamanda diğer sistemlerde bulunan birçok engelin üstesinden gelebileceğini gösteriyor. “

Ekip bu heyecan verici çalışmalarını devam ettirip şu anda çok sayıda iyonu dolaştırıp, daha hızlı kuantum hesaplama işlemlerine ulaşmaya çalışıyorlar.

Kaynakça

1. Chi Zhang, Fabian Pokorny, Weibin Li, Gerard Higgins, Andreas Pöschl, Igor Lesanovsky, Markus Hennrich. Rydberg etkileşimi yoluyla sıkışmış iyonlar arasında mikrosaniye altı dolaştırma kapısı. Nature, 2020; 580 (7803): 345 DOI: 10.1038/s41586-020-2152-9
2. Materyal – University of Nottingham