Oda sıcaklığında kuantum bilgisayarlar ne zaman geliyor?

ABD Ordu Araştırma Laboratuvarı’ndan bilim insanları işlevlerini yerine getirmek için artık aşırı düşün sıcaklıklara ihtiyaç duymayacak kuantum bilgisayar devrelerinin yaklaşık on yıl sonra bir gerçeklik haline geleceğini tahmin ediyorlar.

Yıllarca, oda sıcaklığında çalışabilecek katı hal kuantum teknolojisi günümüzden çok uzaklarda görülüyordu. Anca şeffaf doğrusal olmayan optik kristallerin uygulanması, bu kilometre taşına ulaşmamızda en muhtemel yol olarak ortaya çıktı.

ABD Ordu Araştırma Laboratuvarı bilim insanları bu yaklaşımın geçerliliğini resmen doğruladılar. ABD Teknoloji Muharebe Yetenekleri Geliştirme Komutanlığı’nın Ordu Araştırma Laboratuvarı’ndan Dr. Kurt Jacobs, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nden Dr. Mikkel Heuck ve Prof. Dirk Englund ile birlikte çalışan bir kuantum mantık kapısının fizibilitesini fotonik devreler ve optik kristaller ile gösteren ilk kişi oldu.

“Kuantum teknolojilerini kullanan gelecekteki cihazlar çok düşük sıcaklığa kadar soğutmayı gerektirecekse, bu onları pahalı, hantal ve güce aç hale getirecektir. Araştırmamız, kuantum cihazları için gereken dolaşıklığı oda sıcaklığında manipüle edebilecek gelecekteki fotonik devreleri geliştirmeyi amaçlamaktadır.”

— Dr. Mikkel Heuck

Her türlü görevi yerine getirmek için, geleneksel klasik bilgisayarlar tam olarak belirlenen bilgilerle çalışır. Bilgiler, her biri açık veya kapalı olabilen birçok bitte saklanır. Klasik bir bilgisayara, birkaç bit tarafından belirtilen bir girdi verildiğinde, bu girdiyi, bir dizi bit olarak verilen bir cevap üretmek için işleyebilir. Klasik bir bilgisayar her defasında bir girdi işler.

Aksine, kuantum bilgisayarlar aynı anda hem açık hem de kapalı oldukları garip bir durumda olabilecek bilgileri kübitlerde saklarlar. Bu, bir kuantum bilgisayarın aynı anda birçok girdinin yanıtlarını keşfetmesine olanak tanır. Tüm cevapları bir kerede çıktılayamasa da, bu cevaplar arasındaki ilişkileri çıkarabilir, bu da bazı sorunları klasik bir bilgisayardan çok daha hızlı çözmesini sağlar.

Ne yazık ki, kuantum sistemlerinin en büyük dezavantajlarından biri, kübitlerin garip durumlarının kırılganlığıdır. Kuantum teknolojileri için en olası donanım, bilgisayar ortamıyla etkileşime girerek özel durumların yok edilmesini önlemek için aşırı düşük sıcaklıklarda (0 Kelvin civarı) tutulmalıdır.

Dr. Kurt Jacobs, “Bir kübitin çevresindeki başka herhangi bir şeyle etkileşimi kuantum durumunu bozmaya başlayacaktır.” diyor. “Örneğin, ortam bir parçacık gazı ise, o zaman çok soğuk tutmak gaz moleküllerinin yavaş hareket etmesini sağlar, böylece kuantum devrelerine o kadar çarpmazlar.” diyerek ekliyor.

Araştırmacılar bu sorunu çözmek için çeşitli çabalar gösterdiler, ancak henüz kesin bir çözüm bulunmadı. Şu anda, doğrusal olmayan optik kristalleri içeren fotonik devreler oda sıcaklıklarında katı hal sistemleri ile kuantum bilişim için tek uygun yol olarak ortaya çıkmıştır.

Fotonik devreler, elektrik sinyalleri yerine ışığı manipüle etmeleri dışında, elektrik devreleri gibidir. Örneğin, fotonların aşağı doğru ilerleyeceği şeffaf bir malzemeden, teller boyunca ilerleyen elektrik sinyallerine benzer kanallar oluşturulabilir.

Bilgi depolamak için iyon veya atom kullanan kuantum sistemlerinden farklı olarak, foton kullanan kuantum sistemleri soğuk sıcaklık sınırlamasını atlayabilir. Ancak, fotonların yine de mantık işlemleri gerçekleştirmek için diğer fotonlarla etkileşime girmesi gerekir. Doğrusal olmayan optik kristaller devreye giriyor.

Araştırmacılar, fotonları geçici olarak yakalayan kristallerdeki boşlukları tasarlayabilirler. Bu yöntemle kuantum sistemi, bir kübitin tutabileceği iki farklı olası durum oluşturabilir: fotonlu (açık) bir boşluk ve fotonsuz (kapalı) bir boşluk. Bu kübitler daha sonra garip durumlar için çerçeve oluşturan kuantum mantık kapıları oluşturabilir.

Başka bir deyişle, araştırmacılar, bir fotonun bir kübiti temsil etmek için kristal boşlukta olup olmadığının belirsiz durumunu kullanabilirler. Mantık kapıları iki kübit üzerinde birlikte hareket eder ve aralarında “kuantum dolanması” yaratabilir. Bu dolaşma otomatik olarak bir kuantum bilgisayarında üretilir ve algılama uygulamalarına kuantum yaklaşımları için gereklidir.

Bununla birlikte, bilim insanları bu noktaya kadar tamamen spekülasyona dayanan doğrusal olmayan optik kristaller kullanarak kuantum mantık kapıları yapma fikrini temel aldılar. Muazzam bir umut vaat etmesine rağmen, bu yöntemin pratik mantık kapılarına bile yol açıp açmayacağına dair şüpheler bulunuyordu.

ABD Ordu laboratuvarından ve MIT’den araştırmacılar yerleşik fotonik devre bileşenlerini kullanarak bu yaklaşımla bir kuantum mantık kapısı gerçekleştirmenin bir yolunu sunana kadar doğrusal olmayan optik kristallerin uygulanması söz konusu kaldı.

Kuantum mantık geçidini tasarladıktan sonra, araştırmacılar, teorik olarak uygun şekilde çalışabileceğini göstermek için kapının işleyişinde çok sayıda bilgisayar simülasyonu yaptılar. Araştırmacılar, bu yöntemle bir kuantum mantık kapısının gerçek olarak inşa edilmesi için öncelikle belirli fotonik bileşenlerin kalitesinde önemli iyileştirmelere ihtiyaç olacağını belirledi.

Ve Dr. Heuck, “Son on yılda kaydedilen ilerlemeye dayanarak, gerekli iyileştirmelerin gerçekleştirilmesinin yaklaşık on yıl sürmesini bekliyoruz.” dedi. Ayriyeten gelecekte yapacakları çalışmaları şu şekilde açıkladı: “Bununla birlikte, bozulma olmadan bir dalga paketini yükleme ve yayma işlemi, mevcut deneysel teknolojimiz ile gerçekleştirebilmemiz gereken bir şeydir ve bu yüzden bir sonraki çalışmamız bu olacaktır.”

Kaynakça