Yeni Bir Deney Kuantum Hesaplamadaki Büyük Bir Zorluğu Çözebilir

Neredeyse komik bir boyuta şişirilmiş ve mutlak sıfırın üzerinde bir fraksiyona soğutulmuş iki atom, kuantum hesaplamanın bazı kalıcı zorluklarının üstesinden gelmeye yardımcı olabilecek sağlam, delicesine hızlı iki kübitlik bir kuantum geçidi oluşturmak için kullanıldı.

İki kübitlik bir geçit, verimli kuantum bilgisayarların temel yapı taşı olduğundan, bu atılımın çok büyük etkileri var. Gürültüsüz kuantum işlemleri için mevcut sınırlamaları aşan yeni bir tür kuantum bilgisayar mimarisine yol açabilir.

Kübit, "kuantum biti" teriminin kısaltmasıdır. Bilgisayar teknolojisinin dayandığı temel bilgi birimi olan geleneksel bir bitin kuantum hesaplama eşdeğeridir.

Bir sorunu eski moda yöntemle çözmek için bilgi (ve onu hesaplamak için kullanılan mantık) ikili bir sistemle temsil edilir. Bir ışık anahtarı gibi, bu sistemi oluşturan birimlerin tümü özel bir açık veya kapalı durumdadır. Veya genellikle tanımlandıkları gibi, 1 veya 0 olarak.

Kuantum hesaplamayı çok daha güçlü yapan şey, kuantum süperpozisyonu olarak bilinen bir durum olarak, kübitlerin her ikisinin de aynı anda olabilmesidir. Bununla birlikte, diğer kübitlerin üst üste bindirmeleri ile birleştirilmiş (veya karışmış), ancak bazı ciddi güçlü algoritmaları temsil edebilirler.

İki kübitlik kapı, birbirine dolanmış iki kübitin kuantum durumuna dayanan mantıksal bir işlemdir. Bir kuantum bilgisayarın en basit bileşenidir ve kübitlerin hem karıştırılmasına hem de okunmasına izin verir.

Bilim insanları bir süredir farklı malzemelere dayalı kuantum kapıları ile deneyler yapıyorlar ve bazı olağanüstü atılımlar elde ettiler. Bununla birlikte, bir sorun önemli olmaya devam etti: kübitlerin üst üste binmeleri, dış kaynakların da birbirine karışması sayesinde hızlı ve kolay bir şekilde bozulabilir.

Kapıyı hızlandırmak, bu sorunu çözmenin en iyi yoludur: bu izinsiz giriş genellikle saniyenin milyonda birinden (bir mikrosaniye) biraz daha yavaş olduğundan, bundan daha hızlı olan bir kuantum kapısı, doğru üretmek için gürültüyü "aşabilir".

Japonya'daki Ulusal Doğa Bilimleri Enstitüleri'nden fizikçi Yeelai Chew liderliğindeki bir araştırma ekibi, alışılmıştan biraz farklı bir yaklaşım kullanarak bu hedefe odaklanmak için karmaşık bir kuruluma yöneldi.

Kübitlerin kendileri, gaz halindeki metal rubidyum atomlarıdır. Lazerler kullanılarak, bu atomlar neredeyse mutlak sıfıra soğutulur ve optik cımbızlar - atomik ölçekli nesneleri manipüle etmek için kullanılabilen lazer ışınları kullanılarak mikron ölçeğinde mesafeye yerleştirilir.

Daha sonra fizikçiler atomları lazerlerle titreştirdiler. Bu, atom çekirdeklerinin her birine en yakın yörünge mesafesinden elektronları çok geniş bir yörünge ayrımına sokarak atomları Rydberg atomları olarak bilinen nesnelere şişirdi. Bu, artık devasa atomlar arasında 6.5 nanosaniyelik periyodik yörünge şekli ve elektron enerjisi alışverişi üretti.

Daha fazla lazer darbesi kullanan araştırma ekibi, iki atom arasında bir kuantum kapısı işlemi gerçekleştirebildi. Bu işlemin hızı, saniyenin 6,5 milyarda biriydi (nanosaniye) yani Rydberg atomlarıyla yapılan önceki deneylerden 100 kat daha hızlıydı, bu da bu özel teknoloji türüne dayalı kuantum kapıları için yeni bir rekor kırdı.

Bu, henüz en hızlı iki kübitlik kuantum kapısı işlemleri için genel rekoru tam olarak geçmiyor. Bu, 2019'da silikondaki fosfor atomları kullanılarak akıllara durgunluk veren 0,8 nanosaniyeye ulaşılarak elde edildi; ancak yeni çalışma, şu anda geliştirilmekte olan diğer türlerin bazı sınırlamalarından kaçınabilecek farklı bir yaklaşımı içeriyor.

Ek olarak, farklı mimarileri keşfetmek, diğer donanım türlerindeki eksiklikleri en aza indirmeye yardımcı olacak ipuçlarını bize sunabilir.

Araştırma Nature Photonics'te yayınlandı.