Kuantum Bilgisayarlarda Yeni Kübit

Kuantum Bilgisayarlarda Yeni Kübit: Tek bir elektronun uzun süre belli bir alanda tutulası fikrinden yola çıkılması, parçacığın verimli bir kuantum biti olarak kullanılmasına izin verebilir. Kuantum bilgisayarlarında 1 ve 0 ‘lar ayrıca da bunların kombinasyonları kullanılmaktadır. Kuantum Kodlama dünyasında bunlara kübit denmektedir. Araştırma ekibi birkaç kübit türü kullanmaktadır. Bundan daha değişik olarak kuantum dünyasında elektronların yakalanması onların yeni bir kübit türü olarak kullanılmasının önünü açmıştır. Kuantum Bilgisayarlarda Yeni Kübit çalışmaları da bu arada hız kesmeden devam etmektedir.

Bilim insanları belli bir alanda 1 saniyelik rekor bir sürede elektronları yakalamayı başardılar. Fizikçiler için elektronların belli bir bölgede hapsedilebilmesi çok önemlidir. Heisenberg belirsizlik ilkesine göre elektronun belli bir alanda bulunması olasılığı arttıkça momentumundaki belirsizlik büyümekte. Ortaya çıkan sonuçlarda elektron kübitlerinin daha hızlı kuantum bilgisayarlar yapmak için kullanılabileceği sonucuna bizi götürmektedir.

Günümüzün en yaygın kübit türleri süper iletken devrelerden ya da yakalanmış iyonlardan oluşmaktadır. Bu kübitlerin de kendilerine has doğaları gereği hız sınırlamalarına göre değerleri 1 ile 0 arasında değişebilmektedir.

Evet yakalanmış ya da bir bölgeye hapsedilmiş olan bir elektron basit bir kübit görevi görebilecektir. Kübit görevini gerçekleştirirken onun dönme yani spin durumu dikkate alınabilecektir. Elektronun spini yukarı ya da aşağı yönlüdür.

Berkeley’deki California Üniversitesi‘nden Hartmut Häffner, elektronların diğer iyon kübitlerinden 100 kat daha hızlı olması ve de süper iletken kübitlerin performansını düşüren çevresel gürültüye daha az duyarlı olması bu sonucuna ulaşmalarını sağladığını ifade etmektedir. Evet yakalanmış yüksek doğrulukla kuantum bilgisayarlar oluşturmamızda kilit görev yapabilirler.

Bununla birlikte, tek elektronları uzun süre hapsetmek ve tutmak kolay değildir. Yukarıda da belirttiğimiz üzere Heisenberg Belirsizlik İlkesi devrededir ve çalışmaktadır. Çünkü tutmaya çalıştıkça momentumu değişme miktarı artmaktadır.

Kübitlerin kullanılması esnasında güçlü manyetik alanlar onların konfigürasyonlarını bozmaktadır. İyonlardan oluşan kübitler genellikle çip tabanlı bir devrede elektrotlar tarafından tutulmaktadır.

Paul Tuzağı Nedir?

Bu noktada salınımlı elektrik alanlarını kullanan Paul tuzaklarına da değinmeden geçemeyiz. Paul tuzakları  iyonların yakalanması işleminin bir adıdır. Biraz detaya girersek Paul Tuzağı hakkında bilgi verme gereği doğduğunu düşünüyorum.

Paul tuzağı, dört kutuplu iyon tuzağı ya da radyo frekansı tuzağı, yüklü parçacıkları hapsetmek için dinamik elektrik alanları kullanan bir çeşit iyon tuzağıdır. İsmini, mucidi Wolfgang Paul’dan alır. Kütle spektrometrelerinde ve hapsedilmiş iyon kuantum bilgisayarlarında kullanılmaktadır.

Bilim insanları Elektronları bu şekilde yakalamak için sıkışan elektronun yüzdüğü 1 mm genişliğinde bir yuva içeren üç katmanlı, 5 x 10 cm’lik bir devre kartına uyan bir mikrodalga frekanslı Paul tuzağı oluşturdu.

Elektronu bir bölgeye hapsedilmek için düşük enerjili bir elektronla başlamak fikrinden yola çıkıldı.

Bu tür düşük enerjili elektronları üretmek için de araştırmacılar daha önce iyonları verimli bir şekilde üretmek için kullanılan bir prosedürü uyguladılar.

Atomların Uyarılması

Çalışma ekibi biri elektronu oldukça uyarılmış bir duruma yükseltmek için ayarlanmış ve ikincisi atomun iyonlaşma eşiğini aşmak için iki lazerle bir kalsiyum atomlarını çarpıştırdı.

Artık sonuca doğru yaklaşıyoruz. Yapılan çalışmalarda araştırmacılar bazı elektronların oda sıcaklığında bir saniyeden fazla tuzakta tutulabileceğini buldular. Kuantum bilgisayarın çalışmasının muhtemel olduğu düşük sıcaklıklarda daha da uzun süre dayanmaları gerektiği şu anki bilgilerimiz arasındadır.

Yapılan denemelerde elektronların yaklaşık dörtte üçü 0,1 saniye içinde kaybolmuştur. Ancak kayıp mekanizmalarını daha iyi anladıklarında yakalama verimliliğini artırmayı da araştırmacılar ummaktalar.

Bir bölgede hapsedilmiş ya da yakalanmış bir elektron kübiti ile, elektronun spinlerini algılamak için manyetik alanlar kullanılarak kuantum bilgisine ulaşma fikri çalışmaların aslında ana fikrini oluşturuyor.

Häffner ve Arkadaşları, spin-up ve spin-down elektronlarını elektrotlar tarafından algılanması üzerine bir prosedür önermişlerdir.

Artık bu fikri pratiğe dökmenin sonraki adımlardan biri idi.

Basit bir iki kübitlik kuantum bilgisinin bir mantık işlemde kullanılmasının yanı sıra dönüşleri de manipüle etmek için manyetik alanları da kullanacağı yine araştırmacılar tarafından  belirtilmektedir.

Yapılan araştırmalarda ifade edilenler hiçbir şeyin standart bir Paul Tuzağından  daha zor olamayacağı idi.

Yapılan çalışmaların başarıya ulaşmasında en büyük pay, yeterince düşük enerjiye sahip elektronlar oluşturmak için kalsiyum iyonizasyon tekniğini kullanmakta yatıyor.

Başka tür elektron tuzaklarıyla da çalışılmaktadır. Bu çalışmalardan biri de Almanya’daki Mainz Üniversitesi’nden Ferdinand Schmidt-Kaler tarafından yürütülmektedir.

Kendisi “Sonuçları çok beğendim” demektedir. Kuantum Bilgisayarlarda Yeni Kübit kavramı yerli yerine oturuyordu.

Elektronların yüksek anahtarlama hızının hapsolmuş iyonlara göre bir avantaj olduğunu belirtiyor.

Yeni yakalama ya da tuzak yönteminin minyatürleştirilmesinde bir sonraki adım olan çip tabanlı bir tuzak kullanmanın pratik uygulamayı kolaylaştırabileceğini de ayrıca ifade etmekte.

Maryland Üniversitesi’nden Chris Monroe, kuantum hesaplama cihazlarında iyon temelli kübitlerle çalışan, çalışmanın “ilgi çekici” olduğunu ancak uygulanabilir teknoloji haline gelmeden önce her yeni uygulama da olduğu gibi ileride kalan birçok zorluğu da beraberinde getireceğini ifade ediyor.

Elektronları kullanmakta olan zorlukların başında onları iyon olarak kullanmanın yanında, onların okuma ve yazma işlemlerinde lazer ışınlarıyla basitçe manipüle edilemeyeceğinde yatmakta.

Häffner, bunun için lazerler yerine çip tabanlı manyetik işlemler kullanmanın teknolojiyi gerçekten basitleştirebileceğini söylüyor.

Referanslar

1. C. Matthiesen ve diğerleri, “Oda sıcaklığında bir mikrodalga Paul tuzağında elektronların yakalanması,” Phys. Rev. X 11, 011019 (2021).
2. D. Wineland ve diğerleri, “Monoelectron osilatör,” Phys. Rev. Lett. 31, 1279 (1973).
3. G. Koolstra ve diğerleri, “Süperakışkan helyum üzerindeki tek bir elektronun bir süperiletken rezonatöre bağlanması” Nat. Commun. 10, 5323 (2019).
4. K. R. Brown ve diğerleri, “Yakalanmış atomik iyonlarla ölçeklenebilir bir kuantum bilgisayarı birlikte tasarlamak”, npj Quantum Inf. 2, 1 (2016).
5. P. Peng ve diğerleri, “Kapana kısılmış elektron kübitlerinin spin okuması,” Phys. Rev. A 95, 012312 (2017).

Derleme: physics.aps.org/articles/v14/16