Silikon Çiplerde 20 Nanometrede Kuantum Dolanıklık

Kuantum dolanıklık, Albert Einstein’ın bir zamanlar “uzaktan ürkütücü etki” olarak nitelendirdiği olgu, uzun zamandır hem kamuoyunu büyüledi hem de deneyimli bilim insanlarını şaşırttı.

Günümüzün kuantum araştırmacıları için dolanıklık, aslında kuantum bilgisayarların özünü oluşturan bir parçacık bağlantısı. Henüz emekleme aşamasında olan cihazlar, moleküller, ilaçlar ya da katalizörler gibi doğal kuantum sistemlerini çok daha iyi simüle ederek klasik bilgisayarların yapamayacağı şeyleri mümkün kılacak.

Science dergisinde yayımlanan yeni araştırmada, meslektaşlarımla birlikte yaklaşık 20 nanometre uzaklıkta bulunan iki atom çekirdeği arasında kuantum dolanıklık oluşturmayı başardık. İlk bakışta küçük bir mesafe gibi görünse de kullandığımız yöntem, kuantum bilgisayar inşasında hem pratik hem de kavramsal bir atılım anlamına geliyor. Yöntem, kuantum bilgisinde en güvenilir ve hassas depolama sistemlerinden birine dayalı bir gelecek vaat ediyor.

Kontrol ile Gürültüyü Dengede Tutmak

Kuantum bilgisayar mühendislerinin en büyük zorluğu iki karşıt ihtiyacı dengelemek: Hesaplama için gerekli aşırı hassas kuantum bileşenler dış etkileşimlerden ve gürültüden korunmalı fakat aynı zamanda anlamlı hesaplamalar yapılabilmesi için bileşenlerle etkileşim kurulabilmeli.

O yüzden ilk çalışan kuantum bilgisayarı üretme yarışında birçok farklı donanım türü hala sahnede. Bazıları hızlı işlem yapma konusunda çok iyi, fakat gürültüye karşı savunmasız. Bazıları ise gürültüden iyi korunmuş olsa da çalıştırılmaları ve ölçeklendirilmeleri zor.

Atom Çekirdeklerini Birbirine Konuşturmak

Ekip olarak uzun süredir fosfor atomlarını silikon çiplerin içine yerleştirip, atom çekirdeklerinin spinini kuantum bilgisi depolamak için kullanıyoruz. Faydalı bir kuantum bilgisayar inşa etmek için aynı anda birçok çekirdekle çalışmak gerekiyor ancak bugüne dek birden fazla çekirdekle çalışmanın tek yolu, onları aynı elektrona bağlı olacak şekilde birbirine çok yakın yerleştirmekti.

Kuantum fiziğine göre elektronlar yalnızca atom çekirdeğinden küçük parçacıklar değil, aynı zamanda uzayda “yayılabiliyorlar.” Böylelikle birden fazla çekirdek ile aynı anda etkileşime girebiliyorlar ama tek bir elektronun yayılabildiği mesafe sınırlı ve ne kadar çok çekirdeğe bağlanırsa her birini ayrı ayrı kontrol etmek o kadar zorlaşıyor.

Elektronik “Telefonlarla” Uzak Çekirdekleri Dolanıklığa Sokmak

Bunu şöyle açıklayabiliriz: Şimdiye kadar çekirdekler, ses yalıtımlı odalara kapatılmış insanlar gibiydi. Aynı odada olduklarında net bir şekilde konuşabiliyorlardı ama dışarıdan kimseyi duyamıyorlardı. Ayrıca odaya sınırlı sayıda kişi sığabiliyordu.

Yeni çalışmamızda ise onlara telefon verdik. Her oda içten sessiz kalmaya devam ederken artık farklı odalardaki kişilerle de konuşabiliyorlar. Bu “telefonlar” elektronlar. Elektronlar uzayda yayılabilme özellikleri sayesinde birbirleriyle belli bir mesafeden “dokunabiliyor.” Eğer her elektron doğrudan bir atom çekirdeğine bağlıysa, çekirdekler elektronlar üzerinden iletişim kurabiliyor.

Elektron kanalını kullanarak çekirdekler arasında kuantum dolanıklığı, “geometrik kapı” adı verilen bir yöntemle oluşturduk. Tekniği birkaç yıl önce silikon atomlarıyla yüksek hassasiyetli kuantum işlemleri yapmak için kullanmıştık. Şimdi ilk kez silikon üzerinde, aynı elektrona bağlı olmayan çekirdek çiftlerinde de ölçeklenebildiğini gösterdik.

Entegre Devrelerle Uyumlu Ölçek

Deneyimizde fosfor çekirdekleri 20 nanometre uzaklıktaydı. Mesafe hâlâ çok küçük görünebilir; iki fosfor atomu arasında 40’tan az silikon atomu bulunuyor fakat bu, günümüzde telefon ve bilgisayarlardaki standart silikon transistörlerin üretildiği ölçekte bir mesafe.

20 nanometre ölçeğinde kuantum dolanıklık oluşturmak, uzun ömürlü ve iyi korunmuş nükleer spin kübitlerini standart silikon çip mimarilerine entegre etme yolunu açıyor. Gelecekte entanglement mesafesinin daha da artırılabileceğini öngörüyoruz çünkü elektronlar fiziksel olarak hareket ettirilebilir ya da daha uzun yapılara sıkıştırılabilir.

Sonuç olarak, elektron tabanlı kuantum cihazlarında elde edilen ilerlemeler artık uzun ömürlü nükleer spinler kullanılarak güvenilir hesaplamalar yapabilen kuantum bilgisayarların inşasına doğrudan uygulanabilecek.

‍

‍

‍

‍

‍

Kaynak: https://theconversation.com/new-entanglement-breakthrough-links-cores-of-atoms-brings-quantum-computers-closer-265668