Ana Sayfa Kuantum Bilişim Doğrusal Optik İle Kuantum Bilgi İşleme

Doğrusal Optik İle Kuantum Bilgi İşleme

Yazar
QTurkey
-
446
138

Kuantum bilgi işleme ve kuantum iletişim uygulamaları üzerine araştırmalar günümüzde belli başlı alanlarda yoğunlaşmaktadır. Süperiletkenler ve iyon tuzaklama gibi kuantum bilgisayarların hayata geçirilmesi için umut vadeden konuların yanında, araştırmacılar tarafından daha az rağbet gören alanlar üzerine yapılan araştırmalar da önem arz etmektedir. Kuantum bilişim uygulamalarını doğrusal optik kullanarak gerçekleştirmek de bu alanlardan en çok öne çıkanlardan biridir. Bu yazıda doğrusal optikle kuantum bilgi işleme yöntemi çeşitli yönlerden ele alınacaktır.

Öncelikle “doğrusal optik” dediğimizde kastettiğimiz, sistemdeki tüm optik elemanların girdi ve çıktıları arasındaki ilişkilerin matematiksel olarak doğrusal olmalarıdır. Optik dendiğinde ilk akla gelen ayna, lens, kırınım ağı gibi elemanların çoğu doğrusaldır ve bu özelliklerinden dolayı bu elemanlar kullanılırken frekans değişimi ve soğurulma gibi doğrusal olmayan olayların ihmal edilebilecek kadar az gerçekleştiği varsayılır. Kuantum mekaniksel etkiler söz konusu olduğunda da, dalga fonksiyonunun zamanla değişimi doğrusal olduğu için, taşınan bilgiyi işlemenin akla uygun bir yolu doğrusal elemanlar kullanmak olarak düşünülebilir. Ancak bu noktada bazı sorunlar karşımıza çıkmaktadır. Bu sorunlardan en önemlisi fotonlar arasındaki etkileşimin çok az olmasıdır. Basitçe açıklamak gerekirse, klasik veya kuantum herhangi bir bilgi işleme sisteminin ölçeklenebilir olması için, bir bilgi taşıyıcının (yani bir fotonun) diğeriyle etkileşebilmesi gerekir. Burada “ölçeklenebilir” derken sistemin kapasitesinin yapılan eklemeler yoluyla arttırılabilmesi kastedilmektedir. Bunu sağlamanın yolu ise iki kübitli mantık kapılarının kullanılabilir olmasıdır, ki bunun için de iki bilgi taşıyıcısının birbiriyle etkileşebilmesi zorunludur. Bu tür bir etkileşim önceleri Kerr etkisi gibi ortamın kırılma indisini değiştiren doğrusal olmayan etkiler ile sağlanmaya çalışılsa da bu etkilerin yeterince güçlü olmaması nedeniyle bir başarı yakalanamamıştır.

Ancak 2000 yılında Knill, Laflamme ve Milburn tarafından yayımlanan bir makale bu soruna yaratıcı bir çözüm önererek doğrusal optik ile kuantum bilgi işleme üzerine araştırmaların önünü açtı. KLM protokolü isimli bu yöntem, iki yardımcı fotonun bilgi taşıyan ana foton ile girişim yaptıktan sonra ölçülmesine dayanmaktadır. Ölçüm sonucunun belirli bir değeri vermesi, ana fotonun manipülasyonunun başarılı bir şekilde gerçekleştirildiğini haber verir, ancak işlemin başarısız olması daha olasıdır. Dolayısıyla bu yöntem ile istenen işlem belirli bir olasılıkla gerçekleşmekte, ancak işlemin başarıyla gerçekleştiği yardımcı fotonlar ölçülerek anlaşılabilmektedir. Bu şekilde kısmi ölçüme dayalı işlemler sayesinde sisteme doğrusal olmayan etkiler eklenerek fotonlar arası etkileşim sağlanabilir. Bu protokolü kullanmanın en büyük dezavantajı ise işlem düşük bir olasılıkla gerçekleştiği için istenilen sonuca ulaşmanın yolunun çok sayıda deneme yapmaktan geçmesi ve bu nedenle de zaman ve kaynak açısından verimsiz olmasıdır, ancak bu durum uygun kuantum kodlama teknikleriyle iyileştirilebilmektedir.

Şekil 1: KLM protokolüne göre tasarlanmış bir kuantum mantık kapısı [3]. En üstteki kubitin istenildiği gibi manipüle edildiği diğer iki kübitin “10” çıkışını vermesiyle anlaşılıyor.

2000 yılındaki bu devrim sonrasında doğrusal optikle kuantum bilgi işleme üzerine yapılan araştırmalar ivme kazandı. Bilginin bir fotona farklı yollarla kodlanabilmesi araştırmaların çeşitlenmesine ve farklı yaklaşımların ortaya çıkmasına neden oldu. İkili sistemde bilgiyi bir fotona kodlayabilmek için, fotonun iki farklı durumda olabilen bir özelliği belirlenip durumlardan birine <0| diğerine <1| hali atanır. Bu özellik polarizasyonun yatay ve dikey bileşenleri, fotonun izleyeceği iki farklı yol veya iki farklı frekans olarak belirlenebilir. Bundan sonra tüm tasarım belirlenen özelliğe göre yapılır. Bir optik kuantum mantık devresinin tasarımında üç temel kısım göz önüne alınır: fotonların üretilmesini ve sorunsuz bir şekilde devreye verilmesini sağlayan foton kaynağı, fotonlara bilgi yüklenmesini ve bu bilginin işlenmesini sağlayan esas devre kısmı ve işlenen bilginin ölçülmesini sağlayan detektör kısmı. Tüm bu kısımların optik masa üzerinde deney düzeneği şeklinde düzenlenmesi fazlasıyla karmaşık olacağı için genelde deneyler entegre devreler kullanılarak gerçekleştirilir, bu nedenle bu yazının devamında yalnızca entegre optik devreler göz önünde bulundurulacaktır.

Fotonlarla kuantum bilgi işleme yapabilmek için doğal olarak ilk yapılması gereken ışık kaynağından üretilen fotonları devreye verimli bir şekilde göndermektir. Kuantum özelliklerini gözlemleyebilmek için, günlük hayatta kullandığımız ışık kaynakları yerine fotonları teker teker üretmemize olanak sağlayan tek foton kaynakları kullanılır. Bu tür foton kaynaklarından en çok kullanılan ikisi parametrik foton çifti kaynağı (parametric photon-pair source) ile kuantum noktacık tek foton kaynağıdır (quantum dot single photon source). Özel olarak tasarlanmış dalga kılavuzu veya kovukları lazer yardımıyla uyararak bu yapılarda istenen frekansta fotonlar üretilmesine dayanan parametrik foton çifti kaynaklarının en büyük dezavantajı foton üretiminin çok düşük olasılıkla olmasıdır. Diğer yandan kuantum noktacıkların kullanımında ise temel problem aynı frekansta foton üretecek şekilde çok sayıda özdeş kuantum noktacığın üretiminin zor olmasıdır. Her iki yöntem için de dışarıdan lazer ile uyarılma zorunluluğu olduğu için, fotonlar devrenin diğer kısımlarına verilmeden önce bu lazer ışığının filtrelenmesi devrenin istenildiği gibi işlemesi bakımından önemlidir. Entegre optik devrelerde bunu başarmak için Bragg yansıtıcısı, halka rezonatör ve girişimölçer gibi elemanlar kullanılmaktadır.

Şekil 2: Mach-Zehnder girişim ölçerlerine dayalı kuantum mantık devreleri [4].

Fotonlar başarılı bir şekilde üretilip devreye verildikten sonra sıra bu fotonları işlemeye gelir. Burada genellikle kullanılan en temel eleman Mach-Zehnder girişimölçeridir. Klasik optikteki işlevi iki koldan gelen ışığın girişimini sağlamak olan bu yapının kuantum bilgi işleme uygulamalarındaki önemi kollar arasına faz farkı eklenerek istenilen kuantum mantık kapısının oluşturulabilmesidir. Yazının başında bahsettiğim gibi kollardan birine güçlü elektrik alan uygulayarak kırılma indisini değiştirmeye, böylece de dalga fonksiyonundaki temel haller arasına faz farkı eklemeye dayanan doğrusal olmayan yöntemlerin yanında, birkaç Mach-Zehnder girişimölçeri kullanılıp KLM protokolü uygulanarak da bu faz farkı sağlanabilir. Bu yapının bazı parametrelerini değiştirerek ve onu birden fazla kez kullanarak birçok mantık kapısı hayata geçirilebilir. Bu da nihayetinde evrensel kuantum hesaplamanın, yani hesaplanabilir olan her şeyi kapasitesi çerçevesinde hesaplayabilen bilgisayarların üretiminin önünü açma anlamına gelmektedir.

Bilginin işlenmesinin ardından son adım olarak sonucun detektör yardımıyla okunması gerekir. Bu okuma işlemi için öne çıkan yapılar süperiletken nanotel tek foton detektörleridir (superconducting nanowire single-photon detectors). Dalga kılavuzlarıyla entegre edilebilen bu detektörlerin dezavantajı ise süperiletken özelliklerinin ortaya çıkabilmesi için çok düşük sıcaklıklarda çalışmalarının zorunlu olmasıdır. Çalışma sıcaklığını arttırmayı amaçlayan araştırmalar günümüzde devam etmektedir.

Sonuç olarak, kuantum bilgi işlemede doğrusal optik kullanımı henüz diğer yöntemler kadar ilgi görmese de gelecekte daha ön plana çıkabilme potansiyeli barındırmaktadır. Klasik veya kuantum fark etmeksizin diğer optik bilişim ve iletişim uygulamalarıyla kolay entegre olmaları ve fotonların yeterince uzun süre kuantum eş fazlılık özelliği sergileyebilmeleri kuantum hesaplama uygulamalarında doğrusal optik kullanımının başlıca avantajlarıdır. Yapılan araştırmalar sayesinde önümüzdeki süreçte bu avantajların somut uygulamalarda vücut bulması kaçınılmazdır.

Bu yazı Yalın Başay tarafından QTurkey için kaleme alınmıştır.

Yalın Başay Medium

Kaynaklar ve İleri Okuma:

  1.  https://en.wikipedia.org/wiki/Linear_optical_quantum_computing
  2. https://en.wikipedia.org/wiki/KLM_protocol
  3. Kok, P., Lovett, B. W., “Introduction to Optical Quantum Information Processing”, Cambridge University Press (2010).
  4. Wang, J., Sciarrino, F., Laing, A. et al., “Integrated photonic quantum Technologies”. Nat. Photonics (2019). https://doi.org/10.1038/s41566-019-0532-1
  5. Knill, E., Laflamme, R., Milburn, G., “A scheme for efficient quantum computation with linear optics”. Nature 409, 46–52 (2001). https://doi.org/10.1038/35051009
  6. Okamoto, R., O’Brien, J. L., Hofmann, H. F., Takeuchi, S., “Realization of a Knill-Laflamme-Milburn controlled-NOT photonic quantum circuit combining effective optical nonlinearities”. Proceedings of the National Academy of Sciences (2011). www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1018839108
Post Views: 937
Bu içeriği paylaş
Önceki İçerikKuantum Bilgisayar Çalışmaları Üzerine
Sonraki İçerikEvde Kendi Kuantum Bilgisayarını Yapmak ve Ölçeklenebilirlik Üzerine
Avatar
QTurkey
https://qturkey.org
QTurkey, Türkiye’deki kuantum teknolojileriyle ilgili faaliyetler için bir iletişim ve işbirliği ağıdır. “Kuantum Programlamaya Giriş” çalıştayları düzenliyor, ilgili konulardaki ilgili öğrenciler için çalışma grupları ve toplantılar organize ediyoruz ve ülke düzeyinde kuantum meraklıları için bir buluşma alanı oluşturabilme amacıyla hareket ediyoruz.

İlgili HaberlerYazarın Diğer İçerikleri

138 YORUMLAR

  32. Nice post. I was checking constantly this blog and I am impressed!Very useful information specially the last part 🙂 I care for such information much.I was seeking this particular information for a long time.Thank you and best of luck.

  39. Good day! This is my first visit to your blog! We are a team of volunteers and starting a new project in a community in the same niche. Your blog provided us valuable information to work on. You have done a marvellous job!

  51. Hello! This is my first visit to your blog! We are a team of volunteers and starting a new initiative in a community in the same niche. Your blog provided us useful information to work on. You have done an outstanding job.

  67. บาคาร่าออนไลน์ ที่ สล็อตออนไลน์ เว็บนี้เด็ดจ่ายจริงๆ ท่านกล้ามาเล่นกับเรา ได้เงินเราก็กล้าจ่ายให้เต็มๆ ไม่อิดออด ไม่งอแง เล่นบาคาร่ากับเราสัญญาณชัดเจน ภาพสวยงาม มีกลุ่มของเหล่าเซียนที่กล้านำเล่นแล้วได้เงินจริงๆไปใช้กันเลย

  72. Have you ever heard of second life (sl for short). It is essentially a online game where you can do anything you want. SL is literally my second life (pun intended lol). If you would like to see more you can see these sl authors and blogs

  110. An interesting discussion is definitely worth comment. I think that you ought to write more on this issue, it may not be a taboo subject but generally folks don’t talk about such issues. To the next! Kind regards!!

  112. Hello, Neat post. There’s an issue together with your website
    in web explorer, would test this? IE still is the marketplace leader and a large portion of people
    will omit your magnificent writing because of this problem.

  121. Hi there would you mind letting me know which web host you’re working
    with? I’ve loaded your blog in 3 completely different internet browsers and I must say this blog loads a lot faster then most.
    Can you recommend a good hosting provider at a fair price?

    Cheers, I appreciate it!

  126. Woah! I’m really loving the template/theme of this site.
    It’s simple, yet effective. A lot of times it’s hard to get that “perfect balance” between user friendliness and visual appeal.
    I must say you’ve done a great job with this.

    In addition, the blog loads extremely fast for me on Opera.

    Exceptional Blog!

  127. دیگ سندبلاست
    دیگ سندبلاست یک نوع دیگ صنعتی است که برای
    تمیز کردن سطوح فلزی با استفاده از فشار بالای هوا و
    مواد جارو کننده مانند ماسه و یا ترکیبات شنی و شیشه‌ای، استفاده می‌شود.
    این دیگ‌ها در بسیاری از صنایع استفاده می‌شوند، از جمله در صنایع نفت
    و گاز، صنایع شیمیایی، خودروسازی و ساختمان سازی.

    دیگ سندبلاست چیست ؟
    دیگ سندبلاست ظرفی است که برای نگهداری مواد سست و ساینده مورد استفاده
    در عملیات سندبلاست طراحی شده است.
    بیشتر آنها برای استفاده به عنوان واحدهای افزودنی در سیستم های هوای
    فشرده موجود طراحی شده اند.
    این دیگ جزء اصلی یک سیستم سندبلاست است که شن
    یا ماسه در هنگام نیاز به سایش کنترل کرده و
    نگه می دارد.

    در فرایند دیگ سندبلاست، مواد جارو کننده با فشار بالا به سطح فلزی پاشیده می‌شوند تا لایه‌های زنگ زدگی، رسوبات و دیگر آلودگی‌ها را از سطح فلزی
    یا چوبی حذف کنند. این فرایند، به عنوان یک روش تمیز
    کردن قوی و موثر شناخته می‌شود، اما باید مواد جارو کننده را با دقت و با توجه به نوع سطح فلزی
    یا سطح مورد استفاده، انتخاب کرد
    تا به آسیب رساندن به سطح فلزی جلوگیری شود.

    علاوه بر تمیز کردن سطح فلزی، دیگ
    سند بلاست همچنین به عنوان یک روش برای آماده
    سازی سطح برای فرآیندهای پوشش
    دهی نیز استفاده می‌شود. در این
    حالت، سطح فلزی با دیگر مواد شیمیایی پوشش دهی می‌شود، به منظور جلوگیری از زنگ زدگی و سایر
    آسیب‌های ناشی از عوامل خارجی استفاده میشوند .دیگ سند بلاست یک فرایند پر هزینه است و
    نیاز به تجهیزات خاصی دارد. همچنین برای استفاده از این روش باید از افراد متخصص و مجرب
    در این زمینه استفاده کرد تا خطرات مرتبط با استفاده از
    دیگ سند بلاست را کاهش دهند

CEVAP VER

Lütfen yorumunuzu giriniz!
Lütfen isminizi buraya giriniz