Çığır Açan Gelişme: İki Atomun Çekirdeği Arasında Kuantum Dolanıklığı Gerçekleştirildi

Fakat günümüzün kuantum uygulayıcıları için gerçek çok daha sıradan: Dolanıklık, parçacıklar arasındaki bir tür bağlantıdır ve kuantum bilgisayarların temel özelliğidir.

Bu cihazlar hâlâ emekleme aşamasında olsa da, dolanıklık onların klasik bilgisayarların yapamayacağı şeyleri yapmasını mümkün kılacak. Örneğin doğal kuantum sistemlerini – moleküller, ilaçlar ya da katalizörler gibi – daha iyi şekilde simüle edebilecekler.

Bugün “Science” dergisinde yayımlanan yeni araştırmamızda, mesafeleri yaklaşık 20 nanometre olan iki atom çekirdeği arasında kuantum dolanıklığı gösterdik.

Bu çok gibi görünmeyebilir. Fakat kullandığımız yöntem, kuantum bilgisayarların en hassas ve güvenilir kuantum bilgi depolama sistemlerinden biriyle inşa edilmesine yardımcı olabilecek pratik ve kavramsal bir atılımdır.

 

Kontrol ile gürültüyü dengelemek

Kuantum bilgisayar mühendislerinin karşılaştığı zorluk, iki zıt ihtiyacı dengelemektir.

Hassas hesaplama unsurları dış etkileşimlerden ve gürültüden korunmalıdır. Ama aynı zamanda, anlamlı hesaplamalar yapmak için onlarla etkileşime geçmenin bir yolu da olmalıdır.

İşte bu nedenle, ilk çalışan kuantum bilgisayarı geliştirme yarışında hâlâ birçok farklı donanım türü bulunmaktadır.

Bazı türler hızlı işlemler yapmakta çok iyidir, fakat gürültüden çok etkilenir. Diğerleri gürültüye karşı iyi korunmuştur, fakat çalıştırılması ve ölçeklenmesi zordur.

 

Atom çekirdeklerini etkileşime geçirmek

Ekibim, bugüne dek ikinci kategoriye giren bir platform üzerinde çalışıyordu.

Fosfor atomlarını silikon çiplere yerleştirdik ve atomların çekirdek spinlerini kuantum bilgiyi kodlamak için kullandık.

Kullanışlı bir kuantum bilgisayar inşa etmek için aynı anda birçok atom çekirdeğiyle çalışmak gerekir. Ancak bugüne kadar, birden fazla atom çekirdeğiyle çalışmanın tek yolu, onları tek bir elektronla çevrili olacak şekilde katı bir yapı içinde çok yakın yerleştirmekti.

Genellikle elektronu, atom çekirdeğinden çok daha küçük olarak düşünürüz. Ancak kuantum fiziği, onun uzayda “yayılabileceğini” ve aynı anda birden fazla çekirdekle etkileşime girebileceğini söyler.

Yine de, tek bir elektronun yayılabileceği menzil oldukça sınırlıdır. Ayrıca, aynı elektrona daha fazla çekirdek eklemek, her çekirdeği ayrı ayrı kontrol etmeyi çok zorlaştırır.

 

Uzak çekirdekleri dolanıklaştırmak için elektronik “telefonlar

Şimdiye kadar çekirdekler, ses yalıtımlı odalara yerleştirilmiş insanlara benziyordu diyebiliriz. Aynı odada oldukları sürece konuşabilirler ve sohbetler çok net olurdu.

Fakat dışarıdan hiçbir şey duyamazlardı ve odaya sadece sınırlı sayıda insan sığabilirdi. Dolayısıyla bu iletişim şekli büyütülemiyordu.

Yeni çalışmamızda ise insanlara diğer odalarla iletişim kurabilecekleri telefonlar verdik. Her oda hâlâ içeride oldukça sessiz, ama artık çok daha fazla insan arasında, uzak mesafeler olsa bile, sohbetler yapılabiliyor.

Bu “telefonlar” elektronlardır. Uzayda yayılabilme özellikleri sayesinde, iki elektron birbirine oldukça uzaktan bile “dokunabilir”.

Ve eğer her elektron doğrudan bir atom çekirdeğine bağlıysa, çekirdekler elektronların etkileşimi yoluyla iletişim kurabilir.

Biz de elektron kanalını kullanarak çekirdekler arasında “geometrik kapı” (geometric gate) adı verilen bir yöntemle kuantum dolanıklığı yarattık. Bu yöntemi birkaç yıl önce silikondaki atomlarla yüksek hassasiyetli kuantum işlemleri yapmak için kullanmıştık.

Şimdi ise – silikonda ilk kez – bu yöntemin aynı elektrona bağlı çekirdek çiftlerinin ötesine ölçeklenebileceğini gösterdik.

 

Entegre devrelere uyum sağlamak

Deneyimizde, fosfor çekirdekleri 20 nanometre uzaklıktaydı. Bu hâlâ küçük bir mesafe gibi görünebilir; nitekim iki fosfor arasında 40’tan az silikon atomu vardır.

Ama bu aynı zamanda günlük silikon transistörlerin üretildiği ölçektir. 20 nanometre ölçeğinde kuantum dolanıklığı yaratmak, uzun ömürlü ve iyi korunmuş nükleer spin kübitlerini, telefon ve bilgisayarlarımızdaki standart silikon çiplerin mevcut mimarisine entegre edebileceğimiz anlamına geliyor.

Gelecekte, elektronlar fiziksel olarak hareket ettirilebildiği ya da daha uzun şekillere “sıkıştırılabildiği” için, dolanıklık mesafesini daha da artırmayı öngörüyoruz.

Son atılımımız, elektron tabanlı kuantum cihazlarındaki ilerlemenin, uzun ömürlü nükleer spinlerin güvenilir hesaplamalar yapacağı kuantum bilgisayarların inşasına uygulanabileceği anlamına geliyor.

Andrea Morello, Profesör, Kuantum Nanosistemler, UNSW Sydney

Bu yazı SCIENCEALERT’ de yayınlanmıştır.