Hesaplamalar yapmak için elektrikten ziyade ışığın kullanıldığı optik bilgi işlem, klasik bilgisayarlar ve kuantum bilgisayarların her ikisi için de faydalı olabilir. Çok büyük hipotetik aygıtlar klasik bilgisayarlardan eksponansiyel olarak daha hızlı bazı hesaplamaları gerçekleştirebilir. Fakat, optik bilgi işlem birbirinin davranışlarını değiştirebilen ışık parçacıklarını yani fotonları gerektirir.
Science dergisinin son sayısında, MIT’nin Elektronik Araştırma Laboratuvarı’ndan araştırmacılar tek bir foton ile kontrol edilen bir optik anahtarın deneysel olarak nasıl gerçekleştirileceğini tanımladılar. Bu optik anahtar ışık iletimini yine ışık ile yönetmeye olanak tanımaktadır. Bu ise bir bilgi işlem devresinin temel bileşeni sayılan bir transistörün optik benzeri olduğu anlamına gelir.
Graphic: Christine Daniloff
Kuantum fiziğinin garip, sezgilere aykırı etkileri parçacık kümelerinden ziyade birbirinden ayrı parçacıklarda daha kolay görüldüğü için tek bir fotonun anahtarı çevirmek için kullanılabilir olması kuantum bilgi işlemi için daha kullanışlı yapabilir.
Bu optik anahtarın kalbi yüksek derecede yansıtıcı bir çift aynadır. Anahtar açık olduğunda, bir ışık demetinden oluşan bir optik sinyal aynaların her ikisi boyunca geçebilir. Anahtar kapalı olduğunda ise, sinyaldeki ışığın sadece %20’si geçebilir.
Bu çift aynalar optik rezonatör olarak bilinen bir şeyi oluşturmaktadır. MIT’de Fizik Profesörü olan Vladan Vuleti, “Eğer sadece bir ayna olsaydı tüm ışığın geri geleceğini, eğer iki ayna olursa da bazı çok garip şeylerin olacağını” söyleyerek çift ayna ile ilgili olarak açıklamalarda bulundu.
Işık aynı zamanda fotonlar olarak parçacıklar gibi düşünülebilir ama o aynı zamanda bir elektromanyetik alan şeklinde bir dalga olarak da düşünülebilir. Parçacık olarak düşündüğümüzde fotonların ilk ayna tarafından durdurulduğunu düşünsek bile dalga açıklamasında aynalar arasındaki uzayın/boşluğun içinde elektromanyetik alanın sızdığını düşünebiliriz. Eğer aynalar arasındaki uzaklık ışığın dalgaboyuna hassas bir şekilde kalibre edilirse aynalar bu dalgaboyundaki ışık için saydam hâle gelir.
MIT’nin Elektronik Araştırma Laboratuvarı’ndaki deneyde, aynalar arasındaki kaviteyi süpersoğuk sezyum atomlarından oluşan bir gaz ile doldurmuşlar. Beklendiği gibi, bu atomlar aynalar boyunca geçen ışık ile girişim yapmazlar. Fakat, eğer bir tek “geçit fotonu” farklı bir açıda onların ortasında kendisini bulursa, yüksek enerjili bir duruma bir atomun sadece bir elektronunu hareketlendirir. Bu da ışığın artık geçebileceği kadar kavitenin fiziğini değiştirir.
Klasik bilgisayarlar için, optik bilgi işlemin en önemli avantajı güç yönetimi olurdu: Bir bilgisayar çipi daha fazla sayıda transistörler ile sıkıştırıldıkça, transistörler daha fazla güç çekmeye başlayacak ve daha fazla ısının artmasına neden olacak. Elektrik yerine ışık ile yapılan bilgi işlem problemlerin her ikisini de çözmüş olacaktır. Yine de süpersoğuk atomlardan oluşan bir bulutn transistörler için pratik bir tasarım değildir. Araştırmacılar yaptıkları çalışmanın klasik uygulamalar için daha çok bu düşüncenin uygulanabilir olup olmadığını göstermek üzerine olduğunu belirtiyorlar. Bir optik fiber içinde safsızlık atomları kullanılarak benzer bir aygıt uygulamasının düşünebileceğini de ilave ediyorlar.
Bu deney kuantum bilgi işlem uygulamaları için çok daha cazip olabilir. Tuhaf bir biçimde, maddenin çok küçük parçacıkları süperpozisyon olarak bildiğimiz şekilde aynı anda birbirini dışlayan durumlarda olabilirler. Klasik bir bilgisayarda bir bit ya açık ya da kapalı olmaktadır; 0 veya 1 şeklinde temsil edilir. Süperpozisyondaki parçacıklardan yapılan bitler de aynı zamanda 0 ve 1’i temsil edebilir. Sonuç olarak, bu parçacıklar ilkede tek tek dikkate alınmasından ziyade paralel olarak bir hesaplamalı problemin bir çok olası çözümlerini değerlendirebilirler.
Tek bir fotonlu bir optik geçit anahtarı optik devrelerde şu şekilde işlev görmektedir: Eğer geçit fotonu varsa ışık yansıtılır; eğer geçit fotonu yoksa ışık aktarılır. Dolayısıyla burada bir aç-kapa ya da 0-1 durumu görülmektedir.
Bir foton anahtarlı transistör kuantum bilgi işlem için başka uygulamalara da sahiptir. Bir geleneksel transistörün ilk uygulamalarından biri olan transistörün çıkışını besleyerek bir elektrik sinyalin gürültüsünün filtrelemesi gibi kuantum geribesleme ile kuantum gürültü kaldırılabilir. Başka bir uygulamada bir foton dedektör olarak bu optik anahtar kullanılabilir.
Araştırmacılar fiziksel sistemlerde elde ettikleri bu bulguları bilgisayar çiplerine kolayca entegre edebilmelerinin mümkün olduğunu düşünüyorlar.
Gökhan Atmaca, MSc. twitter.com/kuarkatmaca | facebook.com/anadoluca
Nanoölçek Aygıtlar ve Taşıyıcı İletimi Grubu
Kuark Moleküler NanoBilim Araştırma Grubu
Kaynak:
http://phys.org/news/2013-07-mit-all-optical-transistor.html
-> Daha önce de tek molekülden optik transistör hakkında bir haberimiz vardı. Tek molekülden tek fotona doğru uzun bir yolculuk olmuş: http://www.kuark.org/2011/05/optik-transistor/
