Kuantum bilgisayarları klasik bilgisayarlardan daha hızlı olarak belirli problemleri çözme potansiyeline sahiptir. Bu bilgisayarlardan yararlanabilmek için dolanıklık durumlarının üretilmesi ve kubitlerarası işlemleri gerçekleştirebilmek gereklidir. Spin kubitleri (spin kuantum bitleri) ise bir kuantum işlemcinin uygulanması için umut verici bir adaydır. Bunun en önemli nedenlerinden biri spin kubitlerinin ortam ile olan zayıf etkileşmeleridir.
İlk kuantum işlemcisi. Hakkında bilgi almak için haberimizi inceleyin: http://www.kuark.org/2011/04/ilk-kuantum-islemcisi/ /resime tıklayabilirsiniz/ (Credit: Blake Johnson/Yale University)
Kuantum bilgisayarlarda kullanılmak üzere kuantum bitlerde (kubitler) kuantum dolanıklık araştırmaların odağı olan bir konudur. Kuantum dolanıklık ise gizemi hâlâ süren bir olgudur. Bu olgu ile geçtiğimiz hafta detaylı sayılabilecek bir yazı yayınlamıştım. Bu haberi daha iyi irdelemek adına bu yazıyı incelemelisiniz.
Dolanık haldeki atomaltı parçacıklar kısaca zaman geçmeden veya iletişim olmaksızın, birinin durumundaki herhangi bir değişim diğerine eş zamanlı olarak etki eder. Kubitlerin dolanıklığı kuantum bilgisayarların geleceği için çok önemlidir çünkü kubitler aynı zamanda bir “1” ve “0” durumunun her ikisini de temsil edebilir ve dolanık olan bir parçacıktaki değişim onun çiftindeki diğer parçacıkta da aynı değişime neden olur. Daha fazla kubit eklendiğinde işlem hızları katlanarak artması teorik olarak mümkün. Bugüne kadar, bir yarıiletken malzemenin içinde dolanık parçacıklar oluşturmaya yönelik girişimlerde bu parçacıkların dolanık halde olmaları ile ilgili ölçüm zordur ve böylece onların kısa yaşamlarından dolayı da doğrulanması da zor olmuştur.
Şimdi ise, Harvard Üniversitesi’nden bir grup araştırmacı bir yarıiletken içinde iki kuantum biti/kubiti dolanık hâle getirmeyi ve onları ölçmek için yeterince uzun bir sürede onları dolanık halde tutmayı başardılar. Science dergisinde yayınladıkları makalede bunu nasıl başardıklarını açıkladılar.
Çalışma içerisinde bir AlGaAs/GaAs çokluyapısı olarak bilinen yarıiletken malzemenin yüzeyinden 91 nanometre altında bulunan iki boyutlu elektron gazında (2DEG) bir çift kuantum noktasına iki elektronu hapsederek singlet-triplet kubiti uygulamışlar. Bu singlet-triplet kubitler, iki elektronun spin durumu ile ilgili kuantum bilgiyi depolayan spin kubitlerinin özel bir ifadesidir. Elektron demet litografi teknikleri ile 2DEG tüketilmiş ve kuantum noktalar oluşturulmuş. Sonra uygulanan 700 miliTesla’lık manyetik alan ile Zeeman yarılması sonucu elde edilen iki kuantum noktası birbirleri ile izole edilirler. Kuantum mekaniksel yasalar çerçevesinde durum tomografisi kullanılarak oluşan sistemin tam yoğunluk matriksi ölçülür ve kuantum dolanıklık ile ilgili kanıtlar aranır.
Esasında araştırma grubu yarıiletken malzemedeki kubitlere eklenen ikinci bir elektron tarafından dolanık çiftlerin doğasında olan kararsızlığın üstesinden geldiler. Buradaki yarıiletken malzemedeki kubitlere ikinci bir elektron eklenmesi, kubitlerin spin durumlarının tanımlanmasına kuantum sistemi içindeki bileşenler arasındaki uyumun (buna kuantum decoherence denilir) kaybından ileri gelen ayrıcalığın ikinci bir seviye eklemesi ile olanak sağlar. Yani kubit çok kısa bir zaman içerisinde ya “0” ya da “1” durumuna döner. Mevcut dolanıklığa neden olan ise gerek duyulan bir elektriksel yüktür. Malzeme içinde tam olarak ne olduğundan emin olmak için araştırmacılar durum tomografisi kullanarak numuneyi ölçtüler.
Bu deney kullanılan yarıiletken gibi bir malzeme içinde dolanık çiftlerin oluştuğunu gösterir. Diğer taraftan, bir laser iyon tuzağında kalsiyum atomlarının manipüle edilmesi gibi tekniklerle bunu yapmanın çok da zor olmadığının anlaşılmasında rol alıyor bu deney. Bu dolanık çiftleri yani kubitleri ölçebilmek için onları yeterince uzun süre dolanık halde tutmak önemliydi ve bu araştırma grubu bunu başardı. Bir kuantum bilgisayarın inşasında çok önemli bir unsur olan bu başarıda araştırma grubuna göre bu sürecin geliştirilerek ölçekleme mümkün olabilir.
Yine de bu başarı, bir kuantum bilgisayarın yapımına doğru sadece bir adım çünkü kubitlerden oluşan dolanık çiftlerin devrelerin inşası için birbirinden belli bir uzaklık ile dizilmiş olmaları gerekir. Bugüne kadar bu araştırma ekibi sadece birkaç yüz nanometrelik şekilde ayrılmış dolanık çiftleri oluşturdular. Amaç, en azından bir mikrometreye ulaşmak!
Kuantum teknolojiler ile ilgili çalışmalar hızla bilim dünyasında sürmekte, daha geçen günlerde ilk evrensel kuantum ağı ile ilgili bir çalışma bilim dünyasına duyuruldu. Kuantum bilgisayarlarla daha hızlı hesaplamaların yapıldığı ve bilimin günümüzden çok da hızlı geliştiği bir geleceğe hazırlıklı olmamız ülkemiz adına gerçekten önemlidir.
Gökhan Atmaca / http://twitter.com/kuarkatmaca | http://facebook.com/anadoluca
Gazi Üni. Nanoscale Devices and Carrier Transport Group
Kuark Moleküler NanoBilim Araştırma
Kaynak: http://phys.org/news/2012-04-entanglement-quantum-bits-semiconductor.html
Topluluğumuzun sayfalarında kuantum teknolojileri ile ilgili yazılarımızdan bazıları:
- İlk Kuantum İşlemcisi
- Kuantum Işınlanma ve Dolanıklık
- Dünya’nın İlk Tek Atom Transistörü
- Kuantum Hesaplama İçin Tek Elektron Okuyucusu
- Elektron Demetinde Kuantum Kasırgası
- Kuantum Bilgisayarlarda Özgün Bitler
- Kuantum İşlemlerin Öngörülen Zamanda Çözümlenmesi
- Kuantum Bilgisayarlara Adım Adım: Kuantum Hesaplama
- Atomtronik Transistörde İleri Kuantum Hesaplama
- Fizikçiler Fotonla Lego Oynuyorlar
- Silikon’da Spintronik İle Elektron Taşınması
