Kuantum bilgisayarları mı geliyor?

Fizikçi Jason Petta başkanlığında çalışan ABD'deki Princeton Üniversitesi'nden araştırmacıların geliştirdiği yeni metot sayesinde, bir hesaplama cihazı aracılığıyla çabuk ve güvenilir kuantum bilgisi aktarımı mümkün hale gelecek.

Princeton Üniversitesi araştırmacılarının buluşu, bilim insanlarının sonunda milyonlarca kübitten oluşan kuantum bilgisayarları yapmalarına imkan sağlayacak.

Klasik bilgisayarlarda, en küçük bilgi saklama ve işleme fiziksel birimi olan bitler, "0" ve "1" ile simgelenen hallerden sadece birinde olabilirken, kuantum bilgisayarları, "0" ve "1" ile simgelenen hallerinin yanı sıra "0" ve "1" halleri arasındaki sayısız başka halleri de barındıran kübit adı verilen bilgi saklama ve işleme birimlerinden oluşuyor.

Kübit birimlerinden oluşacak kuantum bilgisayarların, klasik bilgisayarlardaki 1 "bit"e oranla çok daha fazla bilgiyi, aynı büyüklükteki fiziksel bir alana sığdırabilme imkanına sahip oldukları için klasik bilgisayarlarla kıyaslanmayacak ölçüde büyük bir bilgi saklama ve işleme kapasitesine sahip olabileceği öngörülüyor.

Kuantum araştırmacıları şu ana kadar az sayıda kübiti işlemeyi başarmış olsalar da elde edilen kübit işleme miktarı günlük hayatta kullanılacak bir bilgisayar yapmaya yeterli değil.
Kuantum bilgisayarlarını yapmada kilit öneme sahip buluşu yapan araştırmacılar, mikro dalga foton akışını kullanarak, kuantum noktası adı verilen, metrenin milyarda biri büyüklüğündeki nanometre birimiyle ölçülebilen küçük bir kafes içinde bulunan bir elektron çiftini analiz etmeyi başardı. Araştırmacılar, bu sayede elektronların nasıl döndüğüne ilişkin bilgi veren elektronların dönüş durumu hakkındaki bilgiyi okuyabildi. Söz konusu bilgi, kuantum bilgisayarlarının temel birimi olan kübiti oluşturması bakımından önem taşıyor.

Buldukları yöntem hakkında yaptığı açıklamada her iki yanında ışık yerine mikro dalga radyasyonu yansıtan aynaların bulunduğu bir oluk oluşturduklarını anlatan Petta, ''Daha sonra oluğun bir ucundan gönderdiğimiz mikro dalgalara öteki uca gelirken baktık. Mikro dalgalar oluk içindeki elektronların dönüş durumunundan etkilendi ve biz de bu değişikliği okuduk'' diye konuştu.

Araştırmada kullanılan tüm araçların bir santimetreden daha az bir alanda çalışmasına karşın atom altı ölçeğinde bakıldığında yöntemde kullanılan mesafeler son derece geniş bir boyutu içeriyor. Yapılan işlem Ay'daki dönen bir topun hareketiyle Dünya yüzeyinde dönen bir topun hareketini koordine etmeye benziyor.
 

''Yöntem nasıl çalışıyor''

Kuantum bilgisayarları konusunda yapılan çalışmaların önündeki önemli problemlerden birini, elektronların dönüşlerinin, diğer kuantum parçacıklarında olduğu gibi dış etkilere çok açık olması oluşturuyor. Ufacık bir manyetizm ve anlık bir ışık bile elektronların dönüşlerini bozmaya ve hatalar ortaya çıkarmaya yetiyor.

Bilim insanları, yıllardan beri sürdürdükleri çalışmalarla elektronları rahatsız etmeden dönüş durumlarını incelemeye imkan veren teknikler geliştirmiş olsalar da az sayıda elektron dönüş durumunu belirlemeye imkan veren bu teknikler, milyonlarca elektron dönüş durumunu belirlemeyi gerektiren gerçek bir kuantum işlemcisi yapmak için yeterli olmuyor.

Yöntemi bulan araştırmacılar, sorunu çözmek için malzeme bilimi ile optik bilimini birlikte kullandı.

Malzeme bilimi yardımıyla, elektronları tutmak ve dönüş durumlarını analiz etmek için, kuantum noktası olarak adlandırılan yapıyı oluşturan araştırmacılar, optik bilimi yardımıyla da kuantum noktasından gelecek dönüş bilgisini iletmek için bir mikro dalga kanalı yaptı.
Araştırmacılar önce kuantum noktaları yaratmak için bir elektron çiftini, ''yarı iletken nanokablo'' adı verilen bir materyalin küçük bir bölümü üzerinde izole etti. Bu şekilde temelde elektronları, ''tıpkı içindeki kabarcıkları tutan bir pipet gibi'' muhafaza edebilecek çok ince bir kablo yaratan araştırmacılar, daha sonra bu kablo üzerinde ''kafes'' adını verdikleri küçük boşluklar yarattı. Yaratılan kafesler, elektronların sahip oldukları enerji seviyelerine göre yerleşebilmelerine imkan sağlayacak şekilde oluşturuldu.

Yapılan düzenek sayesinde benzer dönüşe sahip elektronlar geriye itilirken, farklı dönüşteki elektronlar çekildi. Böylece elektronları belli bir enerji seviyesine yönlendiren araştırmacılar daha sonra bu elektronların konumlarını okudu.

Araştırmacılar elektronların konumlarını, aynı kafeste bulunan elektronların farklı şekilde dönmelerinden ve farklı kafeslerde bulunan elektronların da aynı şekilde dönmelerinden faydalanarak okuyabildi.

İkinci adımda ise bu kuantum noktasını bir mikro dalga kanala yerleştiren araştırmacılar böylece elektron çiftinin dönüş bilgisinin iletimini, yani kuantum bilgisayarlarının temel birimi olan kübiti mümkün hale getirdi.
 

Atılacak bir sonraki adım

Bu yöntemin oluşturulmasının ardından atılacak bir sonraki adımın oluşturulan düzeneğin tek bir elektron çifti için güvenilirliğini artırmak olacağını belirten Petta, bundan sonra ekibinin daha fazla kübit oluşturmak için sisteme daha fazla kuantum noktası ilave edeceğini belirtti. Petta, ekibinin bu konuda ihtiyatlı bir iyimserlik içinde olduğunu kaydetti.
Bu noktada aşılamayacakmış gibi görülen problemler bulunmasa da diğer tüm sistemlerde olduğu gibi, karmaşıklığın daha önce görülemeyen güçlüklere neden olabileceğine dikkati çeken Petta, ''Burada kullandığımız metotlar yeniden şekillendirilerek artırılabilir ve bunları daha geniş bir sistemde kullanmak istiyoruz. Ancak artırımdan faydalanabilmek için yöntemin biraz daha iyi çalışması gerekiyor. Birinci adım mikro dalga boşluğu için daha iyi aynalar oluşturmak'' dedi.

Araştırma ekibinde görevli elektrik mühendisliği Yardımcı Doçenti Andrew Houck da ''Şu anda kuantum hesaplamasındaki tüm oyun daha büyük bir sistem inşa etmek üzerine'' diye konuştu.

Kuantum bilgisayarlarının farkının klasik bilgisayarların yaptığı her şeyi daha hızlı yapabilecek olmasından kaynaklanmadığına işaret eden Houck, ''Kuantum bilgisayarları problemlere farklı şekilde yaklaşmamıza imkan sağlayacak. Bu bilgisayarlar normal bilgisayarlarla çözülemeyecek problemleri çözmemizi mümkün hale getirecek'' dedi.

Matematikçiler, kuantum sisteminin çeşitli kullanımları hakkında çalışmalarını henüz tamamlamamış olsa da kuantum bilgisayarları şu an çarpanlarına ayrılamayan sayıların çarpanlarına ayrılmasına, şifrelerin kırılmasına ve moleküllerin davranışlarının tahmin edilmesine imkan sağlayacak.