MIT ve Harvard Üniversitesi‘ndeki fizikçiler; maddenin kuantum bitlerini manipüle etmek için yeni bir yol gösterdi. Nature dergisinde yayınlanan makalede, 51 adet atomun veya kuantum bitinin etkileşimlerini yakalayıp, ince ayarlı lazerler sistemi kullandıklarını bildiriyor.
Ekibin çalışma sonuçları; kubit olarak bilinen, kuantum bitlerinin en büyük dizilerinden birini temsil ediyor. Bu da bilim adamlarının tek tek kontrol edebilmesini sağlıyor.
Ayrıca Nature Dergisi‘nin aynı sayısında, Maryland Üniversitesi‘nden bir ekip; yakalanan iyonları kuantum bitleri olarak kullanan benzer boyutlu bir sistemi açıklıyor.
MIT-Harvard araştırmacıları; 51 atom zinciri oluşturdu. Zincirdeki diğer atomların tamamını uyardığı bir kuantum faz geçişi yapmaları için onları programladılar. Desen, diğer her atomun veya molekülün spininin hizalandığı antiferomanyetik olarak bilinen bir manyetizma halini andırıyor.
Ekip, 51 atom dizisini; teorik olarak kendisine yöneltilen herhangi bir hesaplama problemini çözebilecek, genel bir kuantum bilgisayarı yerine, bir “kuantum simülatörü“* olarak nitelendiriyor.
*Kuantum simülatörü; belirli bir simülasyonu simgelemek üzere tasarlanan kuantum bitleri sisteminin; problem veya denklemi çözebilen en verimli klasik bilgisayardan daha hızlı taklididir.
Ekip bu çalışmayla örneğin; maddenin paternini (düzenini), maddenin yeni hallerini ve dolaşma gibi kuantum fenomenlerini simüle etmek ve incelemek için yeniden yapılandırabilir.
Yeni kuantum simülatörü, pek çok karmaşık sorunları çözebilir: Teorik olarak, bir satış elemanının listesindeki şehirlere gidebilmesi için en kısa yolu belirlemesi ya da listedeki şehirlere gidecek olan satış elemanlarının belirlenmesi için gereken optimizasyon problemlerini çözmenin temelini oluşturur.
Bu sorunun biraz farklı biçimleri; DNA sıralama, otomatik lehimleme uçlarının birçok lehimleme noktasına taşınması veya veri paketlerini işlem düğümleri arasında yönlendirilmesi gibi diğer birçok alanda görünür.
MIT’de Lester Wolfe Fizik Profesörü Çalışmanın Yazarı Vladan Vuletić: “Bu sorun, klasik bir bilgisayar için üssel olarak zor, yani bunu belirli bir şehir sayısı için çözebiliriz, ancak daha fazla şehir eklenmek istendiğinde, sorun daha da zorlaşır. Bu tür bir problem için bir kuantum bilgisayara ihtiyacınız yok. Bir simülatör, doğru sistemi taklit edebilecek kadar iyidir. Dolayısıyla, bu optimizasyon algoritmalarının ulaşılması en kolay görev olduğunu düşünüyoruz. “
Ayrı ama etkileşim halinde
Kuantum bilgisayarlar; dünyanın en güçlü klasik bilgisayarının harcadığı zamanın küçük bir kısmında, potansiyel olarak büyük ölçüde karmaşık hesaplamalar yapabilecek teorik cihazlardır.
Bunu, klasik bilgisayarların ikili bit’lerinden farklı, eşzamanlı olarak 0 ve 1’in konumunda olabilen, kubit’ler aracılığıyla yaparlar. Bu kuantum özellik, tek bir kubit’in eşzamanda iki ayrı işlem yapmasına izin verir. Bir sisteme yeni kubit eklenmesi, bilgisayarın hesaplamalarını katlayarak hızlandırabilir.
Ancak, büyük sorunlar bilim insanlarının tam olarak, çalışan bir kuantum bilgisayarını anlamalarını engelledi. Sorun ise;
Kubitlerin çevreyle etkileşime girmeden birbirleriyle etkileşimi nasıl sağlanmalı?
Vuletić: “Çevreyle iletişime girildiğinde her şeyin klasikleştiğini biliyoruz. Bu yüzden süper izole olabilmeleri için kubitlere ihtiyaçları var. Diğer yandan bu kubitlerin de başka bir kubit ile güçlü etkileşim kurmaya ihtiyaçları var.”
Bazı gruplar, iyonlarla kuantum sistemleri kurmakta ve kubit olarak atomlar yüklemektedirler. Elektrik alanlarını kullanarak iyonları çevrenin geri kalanından izole ediyorlar. Daha önceden sıkıştıklarında; iyonlar birbirleriyle kuvvetli bir şekilde etkileşime girerdi. Ancak, bu etkileşimlerin birçoğu, benzer oryantasyonda olan mıknatıslar gibi güçlü bir itki göstermekte ve bu nedenle, özellikle fazla iyonu olan sistemlerde, kontrol edilmesi güçtür.
Diğer araştırmacılar ise; kuantum gibi davranacak şekilde imal edilen yapay atomların süper-iletken kubitleri ile denemeler yapıyor. Ancak Vuletić, üretilen kubitlerin gerçek atomlara göre dezavantajlarının olduğunu belirtti.
Vuletić: “Tanım gereği aynı türden atomlar; aynıdır. Ancak bunlar elle (yapay olarak) yapıldığında farklı frekanslarda üretilir.”
Tuzağı ayarlama
Vuletić ve meslektaşları, kubit olarak ürettikleri nötr atomları (hiçbir elektrik yükü taşımayan atomlar) kullanan bir kuantum sistemi oluşturmak için, üçüncü bir yaklaşım geliştirdiler. İyonların aksine, nötr atomlar birbirlerini itmezler. Ayrıca üretilmiş süper iletken kubitlerden farklı olarak özdeş özelliklere sahiptirler.
Daha önceki çalışmalarda grup; bir radyasyon ışını kullanarak, rubidyum atom kümesini mutlak sıfır sıcaklığa soğutup, hareketi yavaşlatmak ve bireysel atomları yakalamak için bir yol buldu. Daha sonra, bireysel atomları yerinde tutmak için, 100’den fazla bölüme ikinci bir lazer kullandılar. Böylece hangi lazer ışınının hangi atomu yakaladığını görmek için kümeyi görüntüleyebildiler. Böylece düzenli, kusursuz bir küp dizisi oluşturup, tüm atom tuzakları yeniden düzenlemiş oldular.
Bu teknikle, araştırmacılar 51 atomdan oluşan bir kuantum zincirini inşa edebiliyorlar; bunların hepsi en düşük enerji seviyesine sıkışmış oluyor.
Ekip, yeni yazılarında, bu 51 atom tuzağının etkileşimlerini kontrol etmek için, bireysel kubitlerin manipüle edilmesine yönelik önemli bir adım atıldığını bildiriyor. Bunu yapmak için, başlangıçta atomları sıkıştıracak lazer frekanslarını geçici olarak kapatıp, kuantum sisteminin doğal olarak gelişmesine izin verdiler.
Daha sonra gelişen kuantum sisteminde, atomları üçüncü bir lazer ışınına maruz bırakarak, bir Rydberg atomu* haline getirmeye çalıştılar. Sonunda atom toplayan lazer ışınlarını, atomların son durumlarını algılamak için tekrar açtılar.
*En yüksek enerji seviyesindeki elektronun çok daha yüksek enerjili seviyelere uyarıldığı atomlara Rydberg atomları deniyor
Yalnızca Rydberg halindeki atomların birbirleriyle çok etkileşime girdiğinden ve iki komşu atomun (sadece lazerle) Rydberg haline gelebildiğinden, geçiş için daha fazla enerji harcamak gerekir.
Vuletić, ” Bu sistemle yüzlerce atoma çıkabileceğimizi düşünüyoruz. Bu sistemi bir kuantum bilgisayar olarak kullanmak isterseniz, taklit etmeye çalıştığınız sisteme bağlı olarak 100 atom sırası ilginç hale gelecektir.”
Şu an için, araştırmacılar, özellikle Adyabatik Kuantum Hesaplama‘yla (en düşük) çözülebilen optimizasyon problemleri üzerinde, 51 atom sistemiyle bir kuantum simülatörü test etmeyi planlıyor.
İlk olarak MIT Fizik Profesörü Edward Farhi, Cecil ve Ida tarafından önerilen Adyabatik Kuantum Hesaplama; kuantum sisteminin temel halinin sorununa çözüm öneren sistemdir. Bu sistem sorunu üretmek için evrimleştiğinde, sistemin son hali çözümü doğrular.
Vuletić: “Sistemi basit ve bilinen en düşük enerjili halde (örneğin tüm atomları taban durumlarındayken) hazırlayarak başlayabilirsiniz; daha sonra çözmek istediğiniz problemi açığa çıkarmak için yavaşça biçimini bozabilirsiniz. Sonuç, sistemdeki bazı parametrelerin yavaş bir değişimidir. Bu da tam olarak bu deneyde yaptığımız şey… Dolayısıyla sistemimiz, bu adyabatik kuantum hesaplama problemlerine yöneliktir. “
