Optik kontrollü kuantum hesaplama

Ames Laboratuvarı, Brookhaven Ulusal Laboratuvarı ve Alabama Üniversitesi’nden bilim insanları bir Dirac yarıiletkeninde ışığa bağlı bir anahtarlama mekanizması keşfettiler.

Keşfedilen mekanizmanın, ışık dalgalarının kullanımı aracılığıyla topolojik transistör ve kuantum hesaplamayı mümkün kılacak olan atomların ve elektronların ileri geri hareketi ile hareket eden topolojik malzemeyi kontrol etmek için yeni bir yol sunduğu keşfedildi.

Tıpkı bugünün transistörlerinin ve fotodiyotlarının yarım yüzyıl önce vakum tüplerinin yerini alması gibi, kuantum hesaplama kapasitelerine ulaşmak için bilim insanları günümüzde tasarım ilkelerinde ve yeni malzemelerde benzer bir sıçramanın yollarını bulmaya çalışıyor. Şu anda kuantum bilgisayarların mevcut hesaplama kapasitesi karmaşıklık, güç tüketimi ve hız açısından büyük zorluklarla karşı karşıyadır; elektronik malzemeler ve çipler ısındıkça ve hızlandıkça ulaşılan fiziksel sınırları aşmak için daha büyük keşifler gerekmektedir. Özellikle küçük ölçeklerde yapılan çalışmalar, bu tür performansın iyileştirilmesinde büyük bir engel haline gelmiştir.

Ames Laboratuarı‘nda kıdemli bilim insanı ve Iowa State Üniversitesi‘nde fizik profesörü olan Jigang Wang bu engeller üzerine şöyle bir yorum getiriyor:

“Işık dalgası topolojisi mühendisliğinin bu yeni mekanizması ile, elektronlar ve atomları yeni serbestlik dereceleriyle, yani topoloji yoluyla yönlendirilmek için kuantum periyodik hareketine uydurulur, saniyede bir trilyon döngü olarak tanımlanan eşi görülmemiş terahertz frekanslarında ısıtmadan geçişleri tetikleyerek tüm bu zorlukların üstesinden gelmeye çalışılır.

Bu yeni tutarlı kontrol prensibi, çok daha düşük hızlara ve daha yüksek enerji kayıplarına sahip elektrik, manyetik ve gerinim alanları gibi şimdiye kadar kullanılan herhangi bir denge ayarlama yöntemiyle tam bir tezat oluşturuyor.”

Topolojik materyalleri inceleyen bilim insanlarının karşı karşıya olduğu bu zorluk: kuantum hesaplama gibi uygulamalarını mümkün kılacak şekilde bu eşsiz kuantum davranışlarının nasıl kontrol edileceğidir. Bu deneyde Jigang Wang ve meslektaşları, çok çeşitli topolojik aşamalara yakınlığı nedeniyle aşırı duyarlılık gösteren egzotik bir malzeme olan Dirac yarıiletkeninde kuantum durumları yönlendirmek için ışık kullanarak kontrolü kontrol etmeyi başardılar.

Fizik profesörü Ilias Perakis, bu deneyle ilgili “Bunu, mod seçici Raman fonon uyumlu salınımlar olarak bilinen yeni bir ışık-kuantum kontrol prensibi uygulayarak başardık. Kısa ışık darbeleri kullanarak atomların denge konumu hakkında periyodik hareketlerini sürmek bu kuantum dalgalanmalarını, farklı boşluklara ve topolojik düzeneklere sahip elektronik durumlar arasındaki geçişlerini tetikliyor.” diyor.

Bu tür dinamik bir anahtarlamaya bir örnek olarak, yüksek frekanslı titreşim uygulandığında tersine çevrilmiş ancak sabit bir konuma geçiş yapabilen periyodik olarak çalışan Kapitza sarkaçı söylenebilir. Araştırmacının çalışması, bu klasik kontrol prensibinin – malzemeleri normal olarak bulunmayan yeni bir stabil duruma yönlendirmek – şaşırtıcı bir şekilde çok çeşitli topolojik fazlar ve kuantum faz geçişleri için geçerli olduğunu göstermektedir.

Bu çalışma; gelecekteki kuantum hesaplama stratejilerine ve yüksek hız, düşük enerji tüketimine sahip elektronik cihazların geliştirilmesine yarar sağlaması açısından oldukça heyecan verici bir gelişme.

Kaynakça

1. Materyal – Ames Laboratory tarafından
2. C. Vaswani, L.-L. Wang, D. H. Mudiyanselage, Q. Li, P. M. Lozano, G. D. Gu, D. Cheng, B. Song, L. Luo, R. H. J. Kim, C. Huang, Z. Liu, M. Mootz, I. E. Perakis, Y. Yao, K. M. Ho, J. Wang. Dirac yarıiletkeninde Ultrafast Topolojisine Geçiş için Termal Olmayan Bir Yol Olarak Işıkla Çalışan Raman Tutarlılığı. Physical Review X, 2020; 10 (2) DOI: 10.1103/PhysRevX.10.021013