Bilim İnsanları Mekanik Bir Kuantum Sistemini Ölçtüler

Kuantum hesaplamanın daha önce düşünmemiş olabileceğiniz önemli bir yönü var. 'Kuantum yıkımsız ölçümler' olarak adlandırılan bu ölçümler, süreçte onları yok etmeden belirli kuantum durumlarını gözlemlemeye atıfta bulunur.

Çalışan bir kuantum bilgisayarı bir araya getirmek istiyorsak, hesaplamalar yapılırken onu her saniye bozmamak elbette yardımcı olacaktır. Şimdi, bilim insanları, çok fazla umut vaat eden kuantum yıkımsız ölçümleri kaydetmek için yeni bir teknik tanımladılar.

Bu durumda, araştırma mekanik kuantum sistemlerini içeriyordu - kuantum hesaplama açısından nispeten büyük, ancak bizim için fazlasıyla küçük nesneler. Gerekli kuantum büyüsünü işlemek için mekanik hareketi (titreşim gibi) kullanırlar ve diğer kuantum sistemleriyle de birleştirilebilirler.

Araştırmacılar, yayınlanan makalelerinde "Sonuçlarımız, kuantum hata düzeltme ve çok modlu işlemler gibi mekanik sistemler kullanan daha da karmaşık kuantum algoritmaları gerçekleştirmenin kapısını açıyor" diyor.

Ekip, bu çalışmanın amaçları doğrultusunda, yarım milimetrenin hemen altında, yüksek kaliteli safirden ince bir şerit oluşturdu. Akustik dalgaları harekete geçirmek için ince bir piezoelektrik dönüştürücü kullanıldı, teoride kuantum hesaplama süreçlerinden geçirilebilen fononlar gibi enerji birimlerini hareket ettirdi. Teknik olarak bu cihaz akustik rezonatör olarak bilinir.

Kurulumun ilk kısmı buydu. Ölçümü yapmak için akustik rezonatör, süper iletken bir kübit ile birleştirildi. Bu, aynı anda hem 1 hem de 0 değerini tutabilen ve Google ve IBM gibi şirketlerin zaten temel kuantum bilgisayarları oluşturduğu temel kuantum bilgisayar yapı taşlarıdır.

Fotoğraf: Ekibin, süper iletken qubit çipinin üzerinde akustik rezonatör çipi bulunan hibrit cihazı. (von Lüpke ve diğerleri, Nat Phys, 2022)

Bilim insanları, süper iletken kübitin durumunu akustik rezonatördeki fononların sayısına bağlı hale getirerek, bu fonon sayısını, onlarla gerçekten etkileşime girmeden veya herhangi bir enerji aktarmadan okuyabilir.

Bunu, ses üretmek için dokunulması gerekmeyen garip bir müzik aleti olan Theremin çalmaya benzer olarak tanımlarlar.

 

Kuantum hesaplama eşdeğerini bir araya getirmek kolay bir iş değildi: Kuantum durumları genellikle çok kısa ömürlüdür ve bu teknikteki yeniliğin bir kısmı, bu durumların daha uzun süre uzatılmasıydı. Ekip bunu kısmen malzeme seçimi ve kısmen de elektromanyetik koruma sağlayan süper iletken bir alüminyum boşluk aracılığıyla yaptı.

Daha sonraki deneylerde, mekanik kuantum sisteminin "eşlik ölçüsü" olarak bilinen şeyi çıkarmayı başardılar.

Parite ölçümü, özellikle sistemlerdeki hataları düzeltme söz konusu olduğunda, çeşitli kuantum teknolojileri için çok önemlidir ve düzenli olarak hata yapıyorsa hiçbir bilgisayar düzgün şekilde çalışamaz.

Araştırmacılar, "Mekanik rezonatörleri süperiletken devrelerle birleştirerek, devre kuantum akustik dinamiği, hareketli kuantum durumlarını manipüle etmek ve ölçmek için çeşitli önemli araçları kullanılabilir hale getirebilir" diye yazıyor.

Bunların hepsi kuantum fiziği açısından çok üst düzeydir, ancak sonuçta bu, özellikle farklı sistem türlerini birleştirmek açısından, gelecekteki kuantum bilgisayarları için bir temel sağlayabilecek teknolojilerden birinde ileriye doğru atılmış önemli bir adımdır.

Bu çalışmada açıklanan gibi bir hibrit kübit-rezonatör cihazı, potansiyel olarak iki farklı araştırma alanından en iyisini sunar: süper iletken kübitlerin hesaplama yetenekleri ve mekanik sistemlerin kararlılığı. Artık bilim insanları, böyle bir cihazdan tahribatsız bir şekilde bilgi alınabileceğini gösterdi.

Yapılması gereken hala çok daha fazla iş var - durumları ölçme görevi iyileştirildikten ve tamamlandıktan sonra, bu durumların gerçek kullanım için kullanılması ve manipüle edilmesi gerekiyor - ancak kuantum hesaplama sistemlerinin devasa potansiyeli bir adım daha atılmış olabilir.

Araştırmacılar, "Burada fonon sayısı dağılımının ve klasik olmayan mekanik durumların paritesinin doğrudan ölçümlerini gösteriyoruz" diye yazıyor.

"Bu ölçümler, akustik kuantum bellekleri ve işlemcileri oluşturmak için temel yapı taşlarından bazılarıdır."

Araştırma Nature Physics'te yayınlandı.