Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’ndeki (NIST) fizikçiler; iki ayrı iyon kuantum bilgisayar programlarının gelecekteki büyük ölçekli kuantum ağlarında nasıl işler yapabileceğini gösteren, iki ayrı iyon (elektrikle yüklü atomlar) arasında kuantum mantık işlemi olarak bilinen bir bilgisayar devre komutunu yayınladı.
Kuantum ışınlanma, birbirinden tamamen izole edilmiş olsalar bile, ayrı binaların tabanlarındaki iki kitap gibi verileri bir kuantum sisteminden (bir iyon gibi) diğerine (ikinci bir iyon gibi) aktarır. Gerçek yaşamda ışınlanma biçiminde, madde olarak değil de, yalnızca bir kuantum bilgisini, bir gezegenden bir uzay gemisinden tüm insanları “ışınlayan” Star Trek versiyonunun aksine, taşır.
Kuantum verilerinin ışınlanması daha önce iyonlarla ve çeşitli diğer kuantum sistemleriyle gösterilmiştir. Ancak yeni çalışma; gelecekteki kuantum bilgisayarlarının mimarisi için önde gelen bir aday olan iyonları kullanarak, tam bir kuantum mantık işlemini teleport eden ilk çalışmadır.
NIST Fizikçi Dietrich Leibfried: “Mantık operasyonumuzun,% 85 ila %87 olasılıkla iki kuantum bitinin tüm girdi durumları üzerinde çalıştığını doğruladık. Şimdilik mükemmel olmaktan uzak, ancak bir başlangıçtır.”
Eğer inşa edilebilirse, tam ölçekli bir kuantum bilgisayar şu anda anlaşılmaz olan bazı problemleri çözebilir. NIST, kuantum bilgisayarları oluşturma çalışmaları da dahil olmak üzere; pratik teknolojiler için kuantum davranışından yararlanmaya yönelik global araştırma çabalarına katkıda bulunmuştur.
Kuantum bilgisayarların umduğu gibi performans göstermesi için; büyük ölçekli makineler ve ağlarda dağıtılan kesiciler arasında işlem yürütmenin yollarının yanı sıra, milyonlarca kuantum bitine veya “kubit”e ihtiyaç duyacaklar. Mantıksal işlemlerin ışınlanması, doğrudan kuantum mekaniksel bağlantılar olmadan (klasik bilgi alışverişi için fiziksel bağlantılara hala ihtiyaç olacağından) bunu yapmanın bir yoludur.
NIST fizikçiler ayrık iyonlar arasındaki mantık işlemlerini “ışınlandırıyor”
Giriş kapısı ışınlarının nasıl çalıştığını açıklayan inografi. /NIST/PHYS
NIST ekibi, 340 mikrometreden (metrenin milyonda biri) fazla olan bir iyon tuzağının ayrı bölgelerinde bulunan iki berilyum iyon kesiti arasına bir miktar tuzaktan uzak bir mesafede bulunan kuantum kontrollü-NOT mantık işlemini (CNOT) veya mantık geçidini iletti. Bir CNOT operasyonu, ikinci kubit’i 0’dan 1’e veya tam tersi, sadece birinci Kubit 1 ise çevirir; ilk Kubit 0 ise hiçbir şey olmaz. Tipik kuantum tarzında, her iki kubit de aynı anda hem 1 hem de 0 değerine sahip oldukları “süperpozisyonlar” da olabilir.
NIST ışınlanma işlemi, parçacıkların ayrıldıklarında bile kuantum özelliklerini birbirine bağlayan dolaştırmaya dayanır. Berilyum iyonları arasında bilgi aktarımı için “haberci” dolaşmış bir çift magnezyum iyonları kullanılır.
NIST ekibi, yayınlanan CNOT sürecinin % 95 başarı oranıyla iki önemli magnezyum iyonunu dolaştığını tespit ederken, tam mantık işlemi % 85-% 87 oranında başarılı oldu.
Leibfried: “Kapı ışınlaması, uzamsal olarak ayrılmış ve daha önce hiç etkileşime girmemiş olabilecek iki iyon arasında kuantum mantık geçidi gerçekleştirmemize izin veriyor. Püf noktası, her birinin yanlarında başka bir dolaşmış çiftin bir iyonuna sahip olmaları ve geçidin önüne dağılan bu dolaşma kaynağının, klasik karşılığı olmayan bir kuantum numarası yapmamıza izin vermesidir.
Dolaşan haberci çiftleri, bilgisayarın özel bir bölümünde üretilebiliyor ve ayrı bir mantık geçidiyle bağlanması gereken ancak uzak yerlerde bulunan bölmelere ayrı olarak sevk edilebiliyor.”
NIST çalışması aynı zamanda tek bir deneye entegre edildi; ilk defa, farklı iyon türlerinin kontrolü, iyon taşınması ve seçilen alt gruplarda dolaşma işlemleri dahil olmak üzere iyonlara dayalı büyük ölçekli kuantum bilgisayarları oluşturmak için gerekli olan birkaç işlem yapıldı.
Bir CNOT geçidi yaptıklarını doğrulamak için, araştırmacılar ilk kubit’i 16 farklı girdi durumu kombinasyonunda hazırladılar ve ardından ikinci kubit üzerindeki çıktıları ölçtüler. Bu, işlemin çalıştığını gösteren genelleştirilmiş bir kuantum “doğruluk tablosu” üretti.
Bir doğruluk tablosu oluşturmaya ek olarak, araştırmacılar deney düzeneğindeki hata kaynaklarını belirlemeye yardımcı olmak için uzun çalışma süreleri boyunca verilerin tutarlılığını kontrol etmişlerdir. Bu tekniğin gelecekteki deneylerde kuantum bilgi işlemlerini karakterize etmede önemli bir araç olması beklenmektedir.
