Ana Sayfa Duyurular Stanford ve Google Kuantum Bilgisayarlar ile Zaman Kristalleri Oluşturmak için Bir Araya...

Stanford ve Google Kuantum Bilgisayarlar ile Zaman Kristalleri Oluşturmak için Bir Araya Geldi

876
0

Stanford ve Google araştırmacılarından oluşan bir ekip, popüler olarak “Zaman Kristali” olarak bilinen maddenin yeni bir fazını oluşturup gözlemledi.

Benzeri görülmemiş karmaşıklıkta hesaplamalar yapmak ve bunun için kuantum fiziğinin gücünden yararlanabilecek bir bilgisayar tasarlamak amacıyla küresel olarak yürütülen büyük bir çaba var. Bir kuantum bilgisayarı yaratmanın önünde zorlu teknolojik engeller hala durmakta olsa da, günümüzde oluşturulan kuantum bilgisayarlarının ilk prototipleri hala dikkate değer başarılara sahip.

Buna “zaman kristali” olarak adlandırılan maddenin yeni bir fazının oluşturulması örnek verilebilir. Tıpkı bir kristalin yapısının uzayda tekrar etmesi gibi, bir zaman kristali de zaman içinde tekrar eder ve daha da önemlisi, bunu sonsuza kadar ve herhangi bir enerji girişi olmadan yapar -pilsiz sonsuza kadar çalışan bir saat gibi-. Maddenin bu fazını gerçekleştirme arayışı, teoride ve deneyde uzun süredir devam eden bir meydan okuma olmuştur.

Stanford Üniversitesi, Google Quantum AI, Max Planck Karmaşık Sistemlerin Fiziği Enstitüsü ve Oxford Üniversitesi’nden bilim insanlarından oluşan bir ekip, Nature dergisinde 30 Kasım 2021’de yayınlanan araştırmada, Google’ın Sycamore işlemcisinin kuantum hesaplamasını kullanarak bir zaman kristali yaratmasını detaylandırıyor.

Zaman Kristali oluşumunda kullanılan Google’ın Sycamore işlemcisi. Kaynak: Google Quantum AI

Stanford’da doktora sonrası araştırmacı ve yardımcı yazar olan Matteo Ippoliti, “Geleceğin kuantum bilgisayarları olması amaçlanan bu cihazları alıyoruz ve onları kendi başlarına karmaşık kuantum sistemleri olarak düşünüyoruz” dedi. “Hesaplamada kullanmak yerine, kuantum bilgisayarını maddenin yeni fazlarını gerçekleştirmek ve saptamak için yeni bir deneysel platform olarak çalıştırıyoruz.”

Ekibe göre başarılarının verdiği heyecanın kaynağı yalnızca maddenin yeni bir fazını oluşturmak değil, aynı zamanda bir sistemdeki birçok nesnenin kolektif etkileşimlerinin ortaya çıkardığı yeni fenomenleri ve özellikleri inceleyen yoğun madde fiziği alanındaki yeni rejimleri keşfetme fırsatlarını açmada yatmaktadır. (Bu türdeki etkileşimler, tek tek maddelerin özelliklerine göre çok daha zengin olabilir.)

Stanford’da fizik alanında yardımcı doçent ve makalenin kıdemli yazarı olan Vedika Khemani; “Zaman kristalleri, maddenin dengede olmayan kuantum fazının yeni bir türünün çarpıcı bir örneğidir; yoğun madde fiziğine ilişkin anlayışımızın çoğu denge sistemlerine dayalı olsa da, bu yeni kuantum cihazları bize çoklu-cisim fiziğinde yeni denge dışı rejimlere açılan büyüleyici bir pencere sunuyor.” dedi.

Zaman Kristali Nedir ve Ne Değildir?

Bir zaman kristali yapmak için bize gereken temel malzemeler şunlardır; bir meyve sineğinin fizikteki karşılığı ve onu tepecek bir şey. Meyve sineğinin fizikteki karşılığı, çeşitli fiziksel olayları -faz geçişleri ve manyetizma dahil olmak üzere- anlamak için uzun süredir devam eden bir araç olan Ising modelidir. Bu modelde, durumları yukarı veya aşağı spin ile temsil edilen parçacıklar kafesin (lattice) düğümleri üzerinde konumlanırlar.

Lisansüstü eğitim yıllarında, doktora danışmanı Shivaji Sondhi, Princeton Üniversitesi’nden Khemani ve Max Planck Kompleks Sistemler Fiziği Enstitüsü’nden Achilleas Lazarides ve Roderich Moessner, istemeden zaman kristalleri yapmak için bahsettiğimiz bu tarife rastladılar. Dengede olmayan çok-cisim lokalize sistemler -parçacıkların başladıkları durumda “sıkıştığı” ve asla bir denge durumuna geçemediği sistemler- üzerinde çalışıyorlardı. Bir lazer tarafından periyodik olarak “tepildiklerinde” bu tür sistemlerde oluşabilecek fazları keşfetmek ile ilgilendiler ve ayrıca, kararlı denge dışı fazları bulmayı başarmakla kalmayıp parçacıkların spinlerinin, lazerin sürüş periyodunun iki katı bir periyotta, sonsuza kadar tekrar eden modeller arasında dönen ve bu şekilde bir zaman kristalini oluşturan bir taneyi buldular.

Sycamore işlemcisini barındıran Google’ın seyreltme buzdolabının bir görünümü. Kaynak: Google Quantum AI

Lazerin periyodik vuruşu, dinamiklere özel ayrı bir ritim oluşturur. Normalde spinlerin “dansı” bu ritimle senkronize olmalıdır, ancak bir zaman kristalinde bu olmaz. Bunun yerine, bir döngüyü, spinlerini iki durum arasında dönerek lazer tarafından iki kez tepildikten sonra ancak tamamlar. Bu, sistemin “zaman öteleme simetrisinin” bozulduğu anlamına gelmektedir. Simetriler, fizikte temel bir rol oynar ve genellikle kırılırlar; düzenli kristallerin, mıknatısların ve diğer birçok olgunun kökenini açıklarlar ancak zaman öteleme simetrisi diğer simetrilerden farklı olarak dengede kırılamadığı için öne çıkmaktadır. Periyodik vuruş, zaman kristallerinin mümkün olmasını sağlayan bir boşluktur.

Salınım periyodunun iki katına çıkması olağan dışıdır, fakat benzeri görülmemiş de değildir. Ve uzun ömürlü salınımlar, az parçacıklı sistemlerin kuantum dinamiğinde de çok yaygındır. Zaman kristalini benzersiz kılan şey, herhangi bir enerji girmeden veya dışarı sızmadan bu tür birbiri ile uyumlu davranışlar sergileyen milyonlarca şeyden oluşan bir sistem olmasıdır.

Oxford’da fizik profesörü ve makalenin bir diğer yazarı olan Sondhi bu durumu, “Parametrelere veya durumlara ince ayar yapmadığınız, ancak sisteminizin hala kuantum olduğu, maddenin tamamen sağlam bir aşaması” olarak belirtmiştir. “Enerji beslemesi, enerji tahliyesi yok; sonsuza kadar devam ediyor ve güçlü bir şekilde etkileşime giren birçok parçacık içeriyor.” 

Bu durum, kulağa şüpheli bir şekilde “sürekli hareket makinesi” gibi gelse de, daha yakından bakıldığında zaman kristallerinin herhangi bir fizik yasasını çiğnemediği ortaya çıkıyor. Entropi yani sistemdeki düzensizliğin bir ölçüsü, zamanla sabit kalır ve azalmayarak termodinamiğin ikinci yasasını karşılar.

Bir zaman kristali için bu planın geliştirilmesi ile onu gerçeğe dönüştüren kuantum bilgisayar deneyi arasında, birçok farklı araştırmacı ekibi tarafından yapılan deneyler sayesinde zaman kristalinin çeşitli kilometre taşları elde edilmiştir.

Khemani ve onunla işbirliği yapan kişiler için kristal başarısının son adımı, Google Quantum AI’dan bir ekiple çalışmaktı. Bu grup ile birlikte, kübit olarak bilinen klasik bir bilgisayarın bilgi bitlerinin kuantum versiyonunu kullanarak 20 “spin” programlamak için Google’ın Sycamore kuantum hesaplama donanımını kullandılar.

Şu anda da, zaman kristallerine olan ilginin ne kadar yoğun olduğunu ortaya koyan bir başka zaman kristali, 2021 yılının Aralık ayında Science dergisinde yayınlandı. Bu kristal, Hollanda’daki Delft Teknoloji Üniversitesi’ndeki araştırmacılar tarafından bir elmas içinde bulunan kübitleri kullanarak oluşturuldu.

Kuantum Fırsatları

Araştırmacılar, kuantum bilgisayarın özel yeteneklere sahip olması sayesinde gerçek “zaman kristali” iddialarını doğrulayabildiler. (Kusurlu olan) kuantum cihazının sonlu boyutu ve tutarlılık süresi, deneylerinin boyut ve süre açısından sınırlı olduğu anlamına gelse de -bu nedenle zaman kristal salınımları süresiz olarak değil sadece birkaç yüz döngü için gözlemlenebilirdi- araştırmacılar, kristallerin yaratılışlarının kararlılığını değerlendirmek için çeşitli protokoller tasarladılar. Bu protokoller, simülasyonu zamanda ileri ve geri çalıştırmayı ve boyutunu ölçeklendirmeyi içermekteydi.

Makalenin ortak yazarı ve Max Planck Karmaşık Sistemler Fiziği Enstitüsü’nün yöneticisi Moessner, Kuantum bilgisayarın çok yönlülüğünü, kendi sınırlarını analiz etmemize yardımcı olması için kullanmayı başardık” dedi. “Aslında bize kendi hatalarını nasıl düzelteceğimizi anlattı, böylece ideal zaman kristali davranışının parmak izi sonlu zaman gözlemlerinden tespit edilebilirdi.”

İdeal bir zaman kristalinin önemli bir özelliği, tüm durumlardan belirsiz salınımlar göstermesidir. Durum seçimine karşı bunu doğrulamak, önemli bir deneysel zorluktu ve araştırmacılar, zaman kristallerinin bir milyondan fazla durumunu araştırmak için yalnızca milisaniyelik çalışma süresi gerektiren ve aynı zamanda makinenin yalnızca tek bir çalışmasında bunları yapması gereken bir protokol tasarladılar. Bu, tekrarlayan yapısını doğrulamak için fiziksel bir kristali birçok açıdan izlemeye benzemektedir.

Google’da araştırmacı ve makalenin başyazarı Xiao Mi, “Son derece karmaşık olan kuantum durumlarını yaratma yeteneği kuantum işlemcimizin benzersiz bir özelliğidir” dedi. “Bu durumlar, tüm hesaplama alanını araştırmaya gerek kalmadan maddenin faz yapılarının etkin bir şekilde doğrulanmasına izin verir – aksi takdirde bu  zorlu bir görevdir.”

Maddenin yeni bir fazını oluşturmak, temel düzeyde tartışmasız heyecan vericidir. Ayrıca, bu araştırmada görevli araştırmacıların bunu yapabilmeleri, kuantum bilgisayarların hesaplama dışındaki uygulamalar için artan kullanışlılığına işaret etmektedir. Google araştırmacısı ve makalenin kıdemli yazarı Pedram Roushan, “Daha fazla ve daha iyi kübitlerle, yaklaşımımızın denge dışı dinamiklerini incelemede ana yöntem olabileceği konusunda iyimserim” dedi.

Ippoliti, “Şu anda kuantum bilgisayarların en heyecan verici kullanımının temel kuantum fiziği platformları için olduğunu düşünüyoruz” dedi. “Bu sistemlerin benzersiz yetenekleriyle, tahmin etmediğiniz bazı yeni fenomenleri keşfetmeniz için umut var.”

Kaynaklar:

Bu içeriği paylaş
Önceki İçerikAraştırmacılar, Kubitlerin Bitler Kadar Güvenli Olabileceğini Gösterdi
Sonraki İçerikHata Düzeltme ile Kuantum Bilişimde Dönüm Noktasına Ulaşıldı

CEVAP VER

Lütfen yorumunuzu giriniz!
Lütfen isminizi buraya giriniz