Temel atom altı parçacıklar arasındaki etkileşmeleri benzetebilen (simülasyonunu yapan) bir kuantum bilgisayar Avusturya’daki fizikçiler tarafından bilim dünyasına sunuldu. Dört tuzaklanmış iyonun kullanıldığı bu kuantum bilgisayar elektron-pozitron çiftlerin oluşumu ve yok oluşunu tanımlayan fiziği modelleyebiliyor. Sonuçlar aslında geleneksel bir bilgisayar kullanılarak kolayca hesaplanabilir iken, en güçlü süperbilgisayarların bile üstesinden gelemeyeceği problemler kuantum bilgisayar ile çözülebilir, eğer bu iyon sayısı 30’a çıkabilirse.
Kuantum mekaniğinin tuhaf yasaları çok sayıda mikroskopik parçacığın davranışının modellenmesinde klasik bilgisayarlar için işi oldukça zorlaştırmaktadır. Çünkü bu cisimler süperpozisyonlarda var olurlar ve bir diğeri ile dolanık olabilir. Bu durumda da klasik işlem gücünün miktarı bu etkileşimleri tamamen tanımlamak için parçacık sayısı arttıkça üstel olarak artma eğilimi gösterir. 1980’li yıllarda fizikçi Richard Feynman’ın diğer kuantum sistemlerin davranışını modellemek için kuantum sistemlerin kullanılması yani bu dünyaya ait şeylerin kuantum bilgisayarlar formunda kullanılmasını önerdiği bir gerçekti. Elbette, bugün bunlar oluyor. İşte yeni bir gelişme. Bilim insanları yoğun madde sistemlerinin yeni türlerini türetmek veya kimyasal reaksiyonları benzetmek için bir kuantum bilgisayar yaptılar. Bu aygıtlar çok sayıda kuantum bit yani kubit içeren büyük sayıları faktörize edebilme kabiliyetine sahip efsanevi amaçlı kuantum bilgisayarlar değildir. Bunun yerine, sadece birkaç tane kubitten oluşan ve simülasyonu yapılan parçacıklar arasındaki ilişkiye benzer kubitler arasındaki etkileşmelerin analog bilgisayarlarda olduğu gibi her bir etkileşmenin bir dizi ayrık mantık işlemleriyle temsil edildiği bir bilgisayar olarak görebiliriz.
Innsbruck Üniversitesi ve Kuantum Optik ve Kuantum Bilgi Enstitüsü’nden (IQOQI) bilim insanları dijital bir kuantum bilgisayarı yaptılar ve bunu bir ayar teorisi fiziğini benzetimini (simülasyonu) yapmak için kullandılar. Bu ayar teorileri kuarklar veya elektronlar gibi temel parçacıkların birbiri ile nasıl etkileştiğini tanımlar ve parçacık fiziğinin Standart Modeli’nin kalbi olarak nitelenirler. Ancak, bu teoriler modellenme üzerine çeşitli sınırlamalara uymak zorundadır. Çünkü her etkileşim başka tür simülasyonlarda gerekli olmayan bir dizi korunum yasasına uymalı. Son birkaç yıldır, kuramcılar ayar teorilerini modellemede kuantum bilgisayarları öne çıkaran algoritmaları ortaya çıkarmaya başladılar. Nitekim, Avusturya’dan bu araştırma grubu da basit bir ayar teorisini verimli bir şekilde modelleyen bir kuantum algoritmayı türetmeyi ve çalıştırmayı başardı. Basit ayar teorisi dediğim ise bir boyutlu kuantum elektrodinamiktir. Bu kuantum bilgisayar ise bu verimli algoritmayı çalıştırmak için kubit olarak dört kalsiyum iyonu kullanır. Bu dört kalsiyum iyonu elektrik alanlarca sınırlanmıştır ve bir laser ile de manipüle edilmiştir. Yani her bir iyon iki enerji seviyesinin bir süperpozisyonunda var olabilir ve diğer iyonlarla da dolanık hale gelebilir.
Insbruck Üniversitesi’nden Esteban Martinez kuantum simülatörlerin 30 kubite sahip olduklarında en iyi klasik bilgisayarlardan daha iyi olabileceklerini söylüyor. Grup olarak hâlihazırda çok sayıda iyonla çalışan bir simülatörlerinin olduğunu söylese de bu aygıtın performansı tek iyonların adresleme zorluğu ve laserler ile manyetik alanlardaki kararsızlıklar sebebiyle sınırlıdır. Martinez’e göre 4 iyondan 30 iyonla çalışabilen bir kuantum bilgisayarı için 10 yıl beklemeliyiz.
Araştırmacıların bu çalışması Nature‘da yayınlandı ve araştırmayı destekleyici bir yorum Almanya’daki Max Planck Enstitüsü Kuantum Optik Bölümü’nden Erez Zohar’dan geldi. Zohar’a göre, bu çalışma parçacık fiziği ve temel kuvvetleri incelemek için kuantum-optik tekniklerin kullanılmasının gerçekçi olduğunu gösteriyor. Geliştirilen bu kuantum bilgisayar daha karmaşık aygıtlar inşa etmeye çalışan diğer fizikçilere “yol gösterici” olacak. Öyle ki, bu kuantum bilgisayarın kuantum kromodinamik gibi daha karmaşık ayar teorilerin üstesinden gelmesi veya bir boyuttan daha fazla parçacık sistemlerin benzetmesini yapması mümkün olabilir.
Gökhan Atmaca, MSc.
Takip: twitter.com/kuarkatmaca
İletişim: facebook.com/anadoluca
Referanslar:
http://physicsworld.com/cws/article/news/2016/jun/30/quantum-computer-simulates-fundamental-particle-interactions-for-the-first-time
http://www.kuark.org/2012/04/kuantum-isinlanma-ve-kuantum-dolaniklik/
