Bilim İnsanları Kuantum Bilgisayar Bileşenlerini 1000 Kat Küçültmenin Bir Yolunu Keşfetti.

Araştırmacılar, çok daha ince malzemeler kullanarak dolaşık foton çiftleri üretmek için devrim niteliğinde bir yöntem geliştirerek kuantum hesaplama bileşenlerinin boyutunu büyük ölçüde azalttı.

Bu atılım, kuantum teknolojileri için daha basit, daha kompakt kurulumlar sağlayarak iklim biliminden ilaçlara kadar birçok alanda dönüşüm yaratma potansiyeli taşıyor.

‍
Araştırmacılar, kuantum hesaplamayı daha kompakt hale getirebilecek, temel bileşenleri potansiyel olarak 1.000 kat küçültebilecek ve aynı zamanda daha az ekipman gerektirecek bir keşif yaptılar.

Şu anda geliştirilmekte olan bir kuantum bilgisayar sınıfı, kuantum fiziği deyimiyle birbirine bağlı veya “dolaşık” çiftler halinde oluşturulan ışık parçacıklarına veya fotonlara dayanmaktadır. Bu fotonları üretmenin bir yolu, milimetre kalınlığındaki kristallere lazer tutmak ve fotonların birbirine bağlanmasını sağlamak için optik ekipman kullanmaktır. Bu yaklaşımın bir dezavantajı, bir bilgisayar çipine entegre edilemeyecek kadar büyük olmasıdır.

Şimdi, Singapur Nanyang Teknoloji Üniversitesi (NTU Singapur) bilim insanları, sadece 1,2 mikrometre kalınlığında ya da bir saç telinden yaklaşık 80 kat daha ince olan çok daha ince malzemeler kullanarak bağlantılı foton çiftleri üreterek bu yaklaşımın sorununu çözmenin bir yolunu buldular. Üstelik bunu foton çiftleri arasındaki bağlantıyı sağlamak için ek optik donanımlara ihtiyaç duymadan gerçekleştirdiler ve genel kurulumu daha basit hale getirdiler.

Araştırmacılara liderlik eden NTU'dan Prof Gao Weibo, “Dolaşık foton çiftleri oluşturmaya yönelik yeni yöntemimiz, kuantum optik dolaşıklık kaynaklarını çok daha küçük hale getirmenin yolunu açıyor; bu da kuantum bilgi ve fotonik kuantum hesaplama uygulamaları için kritik öneme sahip olacak” dedi.

Bu yöntemin kuantum uygulamaları için cihazların boyutunu küçültebileceğini, çünkü bu cihazların çoğunun çalışmadan önce hizalanması zahmetli olan büyük ve hacimli optik ekipmanlara ihtiyaç duyduğunu da sözlerine ekledi.
Kuantum bilgisayarların, iklim değişikliğini daha iyi anlamamıza yardımcı olmaktan, karmaşık hesaplamaları tamamlayarak yeni ilaçları daha hızlı bulmaya ve büyük veri kümelerindeki kalıpları hızla bulmaya kadar birçok zorluğa yaklaşımda devrim yaratması bekleniyor. Örneğin, bugün süper bilgisayarların çözmesi milyonlarca yıl sürecek hesaplamalar kuantum bilgisayarlar tarafından dakikalar içinde yapılabilir.

Bunun gerçekleşmesi bekleniyor çünkü kuantum bilgisayarlar, standart bilgisayarlar gibi her seferinde bir hesaplama yapmak yerine birçok hesaplamayı aynı anda gerçekleştiriyor.

Kuantum bilgisayarlar, kuantum bitleri ya da kübitler olarak adlandırılan ve aynı anda hem açık hem de kapalı konumda olabilen küçük anahtarları kullanarak hesaplama yapabildikleri için bunu yapabilirler. Bu, yazı ile tura arasında bir durumda dönen bir madeni parayı havada çevirmeye benzer. Buna karşılık, standart bilgisayarlar herhangi bir zamanda açık ya da kapalı olabilen, ancak her ikisini birden yapamayan anahtarlar kullanır.

Fotonlar aynı anda açık ve kapalı durumlara sahip olabildikleri için kuantum bilgisayarların daha hızlı hesaplamalar yapabilmesi için kübit olarak kullanılabilirler. Ancak aynı anda iki durumda olabilmeleri, fotonların bir çift halinde üretilmeleri ve bir fotonun diğerine bağlı ya da dolaşık olmasıyla mümkündür. Dolaşıklık için önemli bir koşul, eşleştirilmiş fotonların senkronize bir şekilde titreşmesi gerektiğidir.

Fotonları kübit olarak kullanmanın bir avantajı, oda sıcaklığında üretilebilmeleri ve dolaşık olabilmeleridir. Bu nedenle fotonlara güvenmek, kuantum hesaplama için kullanılmadan önce uzayın soğukluğuna yakın ultra düşük sıcaklıklara ihtiyaç duyan elektronlar gibi diğer parçacıkları kullanmaktan daha kolay, daha ucuz ve daha pratik olabilir.

Araştırmacılar, bilgisayar çiplerinde kullanılabilmeleri için bağlantılı foton çiftleri üretecek daha ince malzemeler bulmaya çalışıyorlar. Ancak karşılaşılan zorluklardan biri, malzemeler inceldiğinde çok daha düşük oranda foton üretmeleri ve bunun da bilgisayarlar için pratik olmamasıdır.

Son gelişmeler, benzersiz optik ve elektronik özelliklere sahip olan niyobyum oksit diklorür adlı umut verici yeni bir kristal malzemenin inceliğine rağmen verimli bir şekilde foton çiftleri üretebildiğini gösterdi. Ancak bu foton çiftleri, üretildiklerinde dolaşık olmadıkları için kuantum bilgisayarlar için kullanışsızdır.

NTU'nun Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Fakültesi ile Fizik ve Matematik Bilimleri Fakültesi'nden Prof Gao liderliğindeki bilim insanları, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Fakültesi'nden Prof Liu Zheng ile işbirliği yaparak bu soruna bir çözüm buldu.

Prof Gao'nun çözümü, 1999 yılında yayınlanan, daha kalın ve hacimli kristal malzemelerle dolaşık foton çiftleri oluşturmaya yönelik yerleşik bir yöntemden esinlenmiştir. Bu yöntem, iki kalın kristal pulunun bir araya getirilmesini ve her bir pulun kristal tanelerinin birbirine dik olarak konumlandırılmasını içeriyor.