Gelecek için tamamen güvenli bir haberleşmenin ancak kuantum internet ile geleceği söylenir. Ancak, kuantum bitlerin (kubitlerin) kullanılarak bilginin taşınması radikal bir donanım parçasını yani kuantum belleği olmazsa olmaz kılmaktadır. Atomik ölçekteki kuantum bellek aygıtının görevi kuantum bilgiyi depolamak ve bir ağ boyunca kuantum bilginin iletilmesi için onu ışığa dönüştürmektir.
Bu görevi gerçekleştirmesini zor kılan ise kubitlerin dış çevreye aşırı duyarlı olmasıdır. Hatta öyle ki, yakınlarındaki atomların titreşimleri bile kubitlerin “hatırlama becerilerini” bozabilir. Şimdiye kadar, araştırmacılar bu titreşimleri “sessize almak” için aşırı düşük sıcaklıklara güveniyorlardı. Çünkü bu sıcaklıklarda atomların titreşim hareketleri oldukça azalmaktadır. Ancak bu sıcaklıkların elde edilmesi, özellikle de büyük ölçekli kuantum ağları için bu işi sürdürülemez kılacak kadar pahalıdır.
Nature Communications dergisinde “Controlling the coherence of a diamond spin qubit through its strain environment” başlığı ile yayımlanan yeni bir çalışmada, kubitleri daha az etkileyecek bir ortam sunan bir kuantum bellek geliştirildi. Birleşik Krallık’ta Cambridge Üniversitesi’nden Profesör Mete Atatüre ve doktora sonrası araştırmacı Dr. Mustafa Gündoğan’ın da dahil olduğu Cambridge Üniversitesi ve Harvard John A. Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler’den araştırmacılar kubit ortamını sessiz kılacak şekilde gerilebilen elmas sicimlerinin aynı zamanda belleği on nanosaniyeden birkaç yüz nanosaniyeye kadar iyileştirdiğini gösterdiler. Bu birkaç yüz nanosaniye ise bir kuantum çip üzerinde çok sayıda işlem yapmak için yeterli bir zamana karşılık geliyor.
Makalenin yazarlarından Marko Loncar, elmastaki safsızlıkların kuantum ağları için gelecek vaat edici bağlantı noktaları olarak ortaya çıktıklarını söylüyor ve şunları ekliyor, “Ancak, onlar mükemmel değildirler. Safsızlıkların bazıları bilgiyi tutmakta gerçekten iyi iken haberleşmenin sağlanmasında etkin değildirler. Diğer taraftan diğer tür safsızlıklar haberleşmenin kurulmasında gerçekten iyi bir seçenek olabilirken bellek kaybına yol açarlar. Bu çalışmada ise ikincisini ele aldık ve belleği 10 kata kadar artırdık.”
Elmastaki safsızlıklar güçlü kubitlerdir ve silisyum boşluğu renk merkezleri (İng. silicon-vacancy color centre) olarak bilinirler. Bu merkezde tuzaklanan bir elektron bir bellek biti olarak davranır ve tek bir kırmızı ışık fotonu yayabilir. Bu foton kuantum internetin uzun erimli bilgi taşıyıcısı olarak hareket eder. Elmas kristalindeki yakın atomların rastgele titreşmesi ile merkezde tuzaklanmış elektron hatırlanması istenen herhangi bir kuantum bilgisini hızlıca unutuverir.
Bu gürültülü ortamdaki belleği iyileştirmek için, araştırmacılar bu renk merkezine ev sahipliği yapan elmas kristali içine oyarak bir saç telinden yüz kat ince genişlikte (yaklaşık 1 mikrometre) ince bir sicim yerleştirdiler ve her iki tarafa da elektrot eklediler. Bir voltaj uygulanması ile elmas sicim elektronun duyarlı olduğu titreşimlerin frekansını artırır ve uzatır. Bu tıpkı, gitar telinin sıkıştırılmasında olduğu gibi telin frekansını veya aralığını artırır. Elektronun duyarlı olduğu titreşimlerin frekansının artırılması elektronların sadece çok yüksek enerjili titreşimleri hissedebileceği anlamına gelmektedir. Bu şekilde kristal içindeki atomların titreşimleri tuzaklanmış elektronlar için daha az gürültülü gibi gelerek onlar daha uzun süre “rahatsız edilmeden” kuantum bilgiyi tutabilirler. Görünüşe göre bu uzun zaman şimdilik birkaç yüz nanosaniye kadar. Ancak bu kuantum ölçek için hiç de azımsanacak bir süre değildir.
Cambridge Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırmacı Mustafa Gündoğan ise elmas sicimlerini gererek safsızlıkların elektronik seviyelerinin nasıl değiştirildiğini şu şekilde açıkladı, “Elmas sicimlerin iki tarafında fabrikasyonu yapılmış iki elektrota voltaj uygulandığında bu sicimler elektrostatik kuvvet yüzünden bükülür ve bu bükülme sonrasında da atomik orbitaller sıkışıp, deforme olduğundan dolayı safsızlıkların elektronik enerji seviyeleri değişmektedir.” Bu şekilde kubit ortamındaki gürültüye olan hassasiyet azaltılmaktadır.
Araştırmacılar, gelecekte kubitlerin belleğini milisaniye mertebelerine kadar çıkarmayı umut ediyorlar. Böylece bir kuantum çip üzerinde birkaç işlem değil, yüzbinlerce işlem yapmak mümkün olacak ve elbette daha uzun erimli kuantum haberleşme sağlanmış olacak.
Dr. Gökhan Atmaca
Takip: twitter.com/kuarkatmaca
Kuark Bilim Topluluğu Bilim Sitesi Kuark.Org’u Facebook’ta Takip Edebilirsiniz.
Kaynak:
Leah Burrows, Tunable diamond string may hold key to quantum memory, Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences
Görsel: Second Bay Studios/Harvard SEAS
