Süper iletken kuantum bitleri (basitçe, qubitler), kuantum bilgisayarlarının temel bileşeni olan kuantum bilgisini üretmek için çeşitli yöntemler kullanan yapay atomlardır. Bilgisayarlardaki geleneksel ikili devrelere benzer şekilde, bölmeler, klasik ikili bitlere karşılık gelen iki durumdan birini, 0 veya 1’i sağlar. Ancak, bu bölmeler aynı zamanda her iki durumun da aynı anda üst üste gelmesini sağlayabilir; geleneksel bilgisayarlar için neredeyse imkansızdır.
Bu qubitlerin bu süperpozisyon durumunda kaldıkları süre, “uyum süresi” olarak adlandırılır. Tutarlılık süresi uzadıkça, qubit’in karmaşık problemleri hesaplama yeteneği de artar.
Son zamanlarda, araştırmacılar grafen-tabanlı materyalleri süper iletken kuantum hesaplama cihazlarına dahil ediyorlar. Bu da diğer avantajların yanı sıra daha hızlı, daha verimli hesaplama sözü veriyor. Ancak, şimdiye kadar, bu ileri düzey kalıplar için kaydedilmiş bir tutarlılık yoktu, bu yüzden pratik kuantum hesaplama için uygun olup olmadıklarını bilmiyor.
Nature Nanotechnology Dergisi’nde yayınlanan bir makalede, araştırmacılar ilk kez grafen ve egzotik malzemelerden yapılmış tutarlı bir qubit olduğunu göstermektedir. Bu malzemeler, bugünün geleneksel bilgisayar çiplerindeki transistörler gibi ve diğer pek çok süper iletken çip tipinin aksine durumları voltajla değiştirmelerini sağlar. Dahası, araştırmacılar, bu tutarlılığa, qubit temel durumuna dönmeden önce, 55 nanosaniye olarak ölçtü.
Çalışma, uygulamada fizik profesörü olan William D. Oliver ve çalışmaları kuantum hesaplama sistemlerine odaklanan Lincoln Laboratory Fellow , MIT’deki Cecil ve Ida Green, grafende yenilikleri araştıran Fizik Profesörü Pablo Jarillo-Herrero’nun uzmanlığını birleştirdi.
MIT’de Oliver’in Elektronik Araştırma Laboratuvarı’nda (RLE) ilk yazar Joel I-Jan Wang, “Motivasyonumuz, süper iletken qubitlerinin performansını artırmak için grafenin benzersiz özelliklerini kullanmaktır. Bu çalışmada, ilk kez grafenden yapılmış bir süper iletken qubitin geçici olarak kuantum ile uyumlu olduğunu ve daha sofistike kuantum devreleri oluşturmak için gerekli bir anahtar olduğunu gösteriyoruz. Çalışmamız, ölçülebilen bir tutarlılık süresinin, insanların kontrol etmesi için yeterince uzun olan bir qubit’in birincil ölçümünü gösteren ilk cihazdır. ”
Bozulmamış Bir Grafen Sandviçi
Süper iletken qubitler, bir yalıtkanın (genellikle bir oksit) iki süper iletken malzeme (genellikle alüminyum) arasında sıkıştırıldığı “Josephson kavşağı” olarak bilinen bir yapıya dayanır. Geleneksel ayarlanabilir qubit tasarımlarında akım döngüsü, elektronların süper iletken materyaller arasında ileri ve geri sıçramasına neden olarak küçük bir manyetik alan yaratır ve bu da qubit durumunun değişmesine neden olur.
Ancak bu akım çok fazla enerji tüketir ve başka sorunlara neden olur. Son zamanlarda, birkaç araştırma grubu izolatörü, seri üretime uygun olmayan ve daha hızlı ve daha verimli bir hesaplama yapabilen benzersiz özelliklere sahip atom kalınlığında bir karbon tabakası olan grafen ile değiştirdi.
Qubit’lerini üretmek için araştırmacılar, van der Waals adı verilen ve Legolar gibi üst üste dizilebilecek, az dirençli veya hasarsız, atomik-ince yapılardan oluşan malzemeler sınıfına döndüler. Bu malzemeler, çeşitli elektronik sistemler oluşturmak için belirli şekillerde depolanabilir. Kusursuz yüzey kalitesine rağmen, sadece birkaç araştırma grubu van der Waals materyallerini kuantum devrelerine uygulamış ve daha önce hiçbirinin zamansal tutarlılık göstermediği gösterilmiştir.
Josephson kavşakları için, araştırmacılar, altıgen bor nitrür (hBN) olarak adlandırılan bir van der Waals izolatörünün iki tabakası arasında bir grafen tabakası oluşturdular. Önemli olarak, grafen dokunduğu malzemelerin süper iletkenliğini üstlenir. Seçilen van der Waals malzemeleri, geleneksel akım bazlı manyetik alan yerine, voltaj kullanarak elektronları kullanmak için yapılabilir.
Qubite voltaj uygulandığında, elektronlar grafen tarafından bağlanan iki süper iletken uç arasında ileri geri seker ve qubiti topraktan (0) uyarılmış veya süperpozisyon durumuna (1) değiştirir. En alttaki hBN katmanı, grafeni barındırmak için bir substrat görevi görür. Üst hBN katmanı, grafeni içine alır ve herhangi bir kontaminasyondan korur. Malzemeler o kadar bozulmamış olduğu için, hareket eden elektronlar asla kusurlarla etkileşime girmez. Bu, elektronların büyük çoğunluğunun bir süper iletken yoldan diğerine, saflığı bozulmadan, durumların hızlı ve kesin bir şekilde değişmesini sağladığı için ideal “balistik taşımayı” temsil eder.
Voltajın Önemi
Wang, çalışmaların “ölçekleme problemi” nden kurtulmasına yardımcı olabileceğini söylüyor. Şu anda, sadece yaklaşık 1000 qubit tek bir çipe sığdırılabilecek. Gerilim ile kontrol edilen qubitlerin olması, milyonlarca qubitin tek bir çipte sıkıştırılmaya başlamasından dolayı özellikle önemlidir. Wang “Voltaj kontrolü olmadan, binlerce veya milyonlarca akım döngüsüne de ihtiyacınız olacak ve bu da çok fazla yer kaplar ve enerjinin dağılmasını sağlar” diyor.
Ek olarak, voltaj kontrolü daha fazla verimlilik ve bir çip üzerindeki “çapraz konuşma” olmadan tek tek bitlerin daha yerel ve hassas bir şekilde hedeflenmesi anlamına gelir. Bu, akımın yarattığı manyetik alanın bir kısmı hedefleme yapmadığı bir qubit ile müdahale ettiğinde ve hesaplama problemlerine neden olduğunda meydana gelir.
Şimdilik, araştırmacıların qubiti kısa bir ömre sahip. Başvuru için, pratik uygulama için söz veren geleneksel süper iletken qubitler, araştırmacıların qubitlerinden birkaç yüz kat daha fazla olan mikrosaniye ile uyum sürelerini belgelemiştir.
Ancak araştırmacılar bu kısa ömre neden olan ve çoğu yapısal modifikasyon gerektiren birçok konuyu ele alıyorlar. Ayrıca, genel olarak qubitlerin tutarlılığını arttırmak amacıyla elektronların perdeler üzerinde balistik olarak nasıl hareket ettiğini daha fazla araştırmak için yeni tutarlılık süresi yöntemini kullanıyorlar.
