Kuantum Işınıyıcıları ve Kızılötesi Lazerlerle Bir Sonraki Nesil Bilgisayarların İnşası

Bilgisayarların tarihi, modern teknolojinin tarihiyle iç içe geçmiştir. Her şey 19. yüzyılda, 1801 yılında, Fransız bir tüccar ve mucit Marie Jacquard’ın, kumaş desenlerini otomatik olarak dokumak için delikli ahşap kartlarla bir dokuma tezgahı icat etmesiyle başladı.

Ancak, o yüzyılda otomatik hesaplamadaki en önemli ilerleme, İngiliz matematikçi Charles Babbage’ın sayı tablolarını hesaplayabilen buhar gücüne dayalı bir hesaplama makinesi tasarlamasıyla gerçekleşti. 20. yüzyılın en çığır açan icadı ise 1936’da Britanyalı bilim insanı ve matematikçi Alan Turing tarafından getirildi; Turing, daha sonra Turing Makinesi olarak adlandırılan evrensel bir makine tanıttı. Bilim insanları, modern bilgisayarların kavramının temelde Alan Turing’in fikirlerine dayandığını iddia ediyor.

O zamandan beri bir ilerleme zinciri devam etti. 1939’da David Packard ve Bill Hewlett, Hewlett Packard Şirketi’ni kurdular ve 1953’te Grace Hopper, ilk bilgisayar dili olan COBOL’u geliştirdi; ardından IBM’de John Backus ve programcı ekibi, yeni oluşturdukları FORTRAN programlama dilini tanımlayan bir makale yayımladı.

Yıllar boyunca bilgisayar teknolojisini zenginleştiren icat akışı, birden fazla alana odaklandı. Bazen çığır açan bir dil ya da yazılım geliştirilirken, diğer zamanlarda kritik donanım ön plana çıktı. Bu tür icatlar devam ediyor ve bir sonraki nesil bilgisayarların inşasına katkı sağlıyor; bu, terim anlamıyla en gerçek anlamda ‘gelecekçi’ bir şey.

Aşağıdaki bölümlerde, Kuantum Işınıyıcıları ve Kızılötesi Lazerleri içeren iki icadı inceleyeceğiz. 

Büyük Bir Çığıra Doğru İlerlemek: Ölçeklenebilir Bir Kuantum Bilgisayar

Bu başarı, Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (Berkeley Lab) liderliğindeki bir araştırmacı ekibinden geliyor. Araştırmacılar, silikonu hidrojenle dopingle femtosaniye bir katman kullanarak kuantum bitlerini (kubitleri) oluşturup ‘yok ettiğini’ iddia ediyorlar. Araştırmacılar, bu işlemi talep üzerine ve hassasiyetle gerçekleştirebildiklerini vurguladı. 

Ancak, araştırmanın önemini tam olarak kavrayabilmek için, kuantum bitlerinin (kubitlerin) ne olduğunu ve neden önemli olduklarını bilmemiz gerekir!

Milyarlarca Kubuiti Bir Araya Getirme İhtiyacı

Quantum computers could prove pathbreaking in their ability to solve problems a million times faster than some of the most advanced supercomputers currently available. These machines have the potential to usher in revolutionary breakthroughs in areas such as healthcare, pharmaceuticals, and artificial intelligence. But for all these to happen, the industry would have to devise a way to string together billions of qubits or quantum bits, leading to the ultimate development of a highly efficient network of quantum computers.

Araştırma, programlanabilir optik kubitler ya da ‘spin-foton kubitleri’ kullanarak kuantum bilgisayarlarını güçlendirebilecek bir yol gösterdi; bu kubitler, uzaktaki bir ağda kuantum düğümlerini bağlayabilir. 

Berkeley Lab’ın Hızlandırıcı Teknolojisi & Uygulamalı Fizik (ATAP) Bölümü’nde doktora sonrası araştırmacı Kaushalya Jhuria şu yorumu yaptı:

“Ölçeklenebilir bir kuantum mimarisi ya da ağı oluşturmak için, talep üzerine ve istenen konumlarda güvenilir bir şekilde oluşabilen kubitlere ihtiyacımız var; böylece kubitin bir malzeme içinde nerede bulunduğunu biliriz. İşte bu yüzden yaklaşımımız kritik. Çünkü belirli bir kubitin nerede olduğunu bildiğimizde, bu kubiti sistemdeki diğer bileşenlerle nasıl bağlayacağımızı belirleyebilir ve bir kuantum ağı oluşturabiliriz.”

Peki araştırma bu hedefe nasıl ulaşıyor? Silikonda programlanabilir kontrol ile kubitler oluşturarak. 

Silikon’un ‘Renk Merkezleri’ ve ‘Spin-Foton Kubitleri’ Hikayesi

DOE Bilim Ofisi’nin desteğiyle, çalışma silikonda ‘renk merkezleri’ olarak bilinen programlanabilir kusurları oluşturmak için bir gaz ortamı kullandı. Bu renk merkezleri, ‘spin-foton kubitleri’ ya da özel telekomünikasyon kubitleri için adaydır.

Kuantum ya da kubit, kuantum bilgisayarının temel bilgi birimidir. Bu en küçük bileşen, veriyi 1, 0 ya da aralarındaki her şey şeklinde, süperpozisyon adı verilen bir durumda kodlar. Spin-foton kubitleri ise, elektron spininde kodlanmış bilgiyi uzun mesafelere taşıyabilen fotonlar yayar.

Şimdi, güvenli bir kuantum ağına kesin bir şekilde destek olabilecek bu özel kubitleri oluşturmak için, çalışma sadece femtosaniyeler kadar kısa enerji darbeleri yayabilen ultra hızlı bir lazer kullandı; her darbe bir katrilyon saniyenin bir bölümü kadar kısa ve toz tanesinden daha büyük olmayan bir alana odaklanmıştır.

Oluşan renk merkezlerinin optik (fotolüminesans) sinyallerini yakın kızılötesi bir detektörle karakterize etmeye çalışırken ekip, bir Kuantum Işınıyıcı olan Ci merkezini buldu. Ci merkezi, basit bir yapıya ve umut vaat eden spin özelliklerine sahip olup oda sıcaklığında kararlıdır; bu da onu telekomünikasyon ya da frekans bandında foton yayabilen etkileyici bir spin-foton kubit adayı yapar. Jhuria’ya göre:

“Literatürden Ci’nin silikonda oluşturulabileceğini biliyorduk, ancak bu yeni spin-foton kubit adayını yaklaşımımızla gerçekten yapacağımızı beklemiyorduk.” 

İlginç bir şekilde, femtosaniye lazer şiddetini artırmak, silikon işlenirken hidrojenin hareketliliğini de artırabilir. Bu da istenmeyen renk merkezlerini pasifleştirirken silikon kafesine zarar vermeden kalır.

Teorik bir analiz de deney gözlemlerini doğruladı; Ci renk merkezinin parlaklığının hidrojen varlığında önemli ölçüde artırılabileceğini gösterdi. Jhuria’nın açıkladığı gibi, lazer darbeleri sadece hidrojen atomlarını dışarı atmaz, aynı zamanda geri getirir; bu da ‘istenen optik kubitlerin programlanabilir bir şekilde kesin konumlarda oluşmasını’ sağlar. 

Renk merkezlerini güvenilir bir şekilde üretmek sadece bir başlangıç; şimdi ekip, farklı kubitlerin birbirleriyle iletişim kurmasını ve hangilerinin en iyi performansı gösterdiğini görmek istiyor. 

“Silikon gibi ölçeklenebilir bir malzemede programlanabilir konumlarda kubit oluşturma yeteneği, pratik kuantum ağları ve bilgisayarları yönünde heyecan verici bir adım.”

– Cameron Geddes, ATAP Bölümü Direktörü

Teknik, bir sonraki aşamada optik kubitleri dalga kılavuzları gibi kuantum cihazlarına entegre etmek ve seçili uygulamalar için optimize edilmiş özelliklere sahip yeni spin-foton kubit adayları bulmak için kullanılacak.

Kuantum Bilgisayarını Gerçekleştirmek İçin Yeni Yaklaşımlar: Moleküllerle Çalışmak

Kuantum bilgisayarları alanı yıllar içinde önemli bir ivme kazandı; araştırmacılar sürekli yeni teknikler bulmak için çalışıyor. Organik moleküllerin manipülasyonu, kuantum bilgisayarlarında potansiyel bir uygulama alanı olarak inceleniyor. 

TU Graz ekibi, uygun molekülleri kızılötesi ışık darbeleriyle uyararak küçük manyetik alanlar oluşturmayı araştırdı. Bu teknik deneylerde başarıyla geliştirilirse, kuantum bilgisayar devrelerinde bile kullanılabilir.

Bu, kızılötesi ışığın seçici manipülasyonunun manyetik alanın yönünü ve şiddetini kontrol etmeyi mümkün kılması nedeniyle. Bu, molekülleri yüksek hassasiyetli optik anahtarlara dönüştürür; böylece TU Graz Deneysel Fizik Enstitüsü’nden Andreas Hauser’a göre, bu anahtarlar kuantum bilgisayar devreleri inşa etmek için kullanılabilir.

While interactions between molecular vibrations and spin magnetism are well-documented in microwave spectroscopy, this study proposes methods to actively excite molecular vibrations that generate a magnetic field at targeted locations.

Molekülleri Kızılötesi Lazerlerle Uyararak Manyetik Alan Oluşturma

Kızılötesi ışıkla ışınlandıklarında, moleküller enerji sağlanması nedeniyle titreşmeye başlar. Bu olgu başlangıç noktası olarak kullanılarak, fizikçiler bu titreşimlerin gerçekten manyetik alan üretmek için kullanılabilir olup olmadığını araştırmaya başladı.

Hesaplamaları için Hauser ve ekibi, metal ftalosiyaninleri örnek olarak kullandı. Ekip, bu halka şeklindeki, aromatik düz boya moleküllerinin yüksek simetrisi sayesinde, kızılötesi darbelerle maruz kaldıklarında nanometre ölçeğinde (< 1 nm) küçük manyetik alanlar ürettiklerini buldu. Buna dayanarak, düşük ama kesin konumlandırılmış alanın gücünü nükleer manyetik rezonans spektroskopisiyle ölçmenin mümkün olması bekleniyor.

Lazer spektroskopisinin erken dönem çalışmalarına dayanmanın yanı sıra, ekip süper bilgisayarlarda modern elektron yapı teorisini kullanarak makrosiklik ftalosiyanin moleküllerinin dairesel polarize kızılötesi ışıkla ışınlandığında nasıl davrandığını hesapladı. 

Ekip, dairesel polarize ışık dalgalarının iki moleküler titreşimi aynı anda, birbirine dik açıyla uyardığını buldu. Bunu rumba tekniğiyle kıyaslayarak, Hauser şöyle açıkladı:

“İleri-geri ve sol-sağ kombinasyonu küçük, kapalı bir döngü oluşturur. Ve bu her etkilenen atom çekirdeğinin dairesel hareketi, sadece çok lokal bir şekilde, birkaç nanometre ölçeğinde bir manyetik alan yaratır.” 

Bu tamamen teorik bir açıklamadır. Ekip şimdi, moleküler manyetik alanların kontrollü bir şekilde deneysel olarak üretilebileceğini kanıtlamaya çalışacak, böylece bunlar gerçekten kullanılabilir hale gelecek. 

Deney için, ancak, hedeflenen süreçlerle minimum etkileşime sahip bir alt tabaka belirlemeleri gerekiyor; çünkü gelecek uygulamalar ftalosiyanin molekülünün bir yüzeye yerleştirilmesini gerektiriyor. Bunu yapmak ise fiziksel koşulları değiştiriyor ve ışığın getirdiği uyarım ile manyetik alanın özelliklerini etkiliyor.

Dolayısıyla, deneylerde gerçekten test edilmeden önce, ekip öncelikle yerleştirilen ftalosiyaninler, kızılötesi ışık ve destek malzemesi arasındaki etkileşimi hesaplamalı. Deney, manyetik koruma sabitlerindeki öngörülen değişiklikleri doğrularsa, çalışma bunu titreşimle oluşturulan manyetik alanın ilk ölçümü olarak, intramoleküler çözünürlükle görülebileceğini belirtiyor. 

Daha fazla bilgi edinmek için buraya tıklayın Heron & Condor, kuantum bilgisayarındaki en son gelişmeler.

Kuantum Bilgisayarının Alanını İlerleten Şirketler

Microsoft (MSFT ), Intel (INTC ) ve D-Wave gibi birçok şirket, kuantum bilgisayarını ilerletmek için çalışıyor. IBM, uzun yıllardır kuantum bilgisayarına odaklanan önde gelen bir isim. Yakın zamanda, Japonya Ulusal İleri Endüstriyel Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (AIST) ile ortaklık kurarak, bu on yıl içinde 10.000 kubit içeren bir kuantum bilgisayarının üretilmesine yardımcı oldu. Bu gelişmeler ışığında, sektördeki diğer önemli isimlere daha yakından bakalım:

#1. Google 

Teknoloji devi, son yıllarda kuantum bilgisayarları inşa etmek için büyük çaba harcıyor. 2019’da Google, kuantum bilgisayarlarının geleneksel bir süper bilgisayarın başa çıkamayacağı bir algoritmayı çalıştırabileceğini ilk kez gösterdi.

Geçen yıl, Google’ın Sycamore kuantum işlemcisi 70 kubitle tanıtıldı; bu, önceki sürümünün 53 kubitinden büyük bir sıçrama. Bu, önceki modele göre yaklaşık 241 milyon kat daha hızlı ve daha dayanıklı olduğu anlamına geliyor. Google’ın yeni kuantum bilgisayarı ise manyetizmanın davranışını büyük detaylarla simüle ediyor ve manyetizmayı daha derinlemesine anlamamıza yardımcı olabiliyor.

Kuantum bilgisayarına gelince, Google donanım ve yazılım bileşenlerinin sorunsuz entegrasyonunu kapsayan tam yığın bir yaklaşım kullanıyor. Şirket şu anda, kuantum algoritmaları alanını ilerletmek için XPRIZE Quantum Applications adlı 3 yıllık, 5 milyon dolarlık küresel bir yarışma yürütüyor.

2,2 trilyon dolarlık piyasa değerine sahip Google hisseleri, YTD %26,88 artışla hisse başına 177,08 $ seviyesinde işlem görüyor. EPS (TTM) 6,52, P/E (TTM) 27,18 ve temettü getirisi %0,45. 2024’ün ilk çeyreğinde şirket, yıllık %15 artışla 80,5 milyar $ gelir elde etti ve işletme marjı %32’ye yükseldi.

#2. Dell 

Bu teknoloji şirketi de kuantum bilgisayarında somut adımlar atmaya başladı. Yakın zamanda Dell, IonQ ile geliştirilen hibrit klasik/kuantum platformunu tanıttı. Ayrıca Aramco ile kuantum bilgisayarı, yapay zeka ve uç bilişim alanlarındaki gelişmeleri keşfetmek için bir iş birliği duyurdu. Aramco ve Dell, enerji optimizasyonu, hava durumu modellemesi, malzeme bilimi ve öngörücü bakım gibi alanlarda karmaşık zorlukları kuantum bilgisayarlarıyla çözmeyi hedefliyor.

Dell Technologies (DELL ) Ireland Genel Müdürü Catherine Doyle’a göre, kuantum bilgisayarları yakın gelecekte “birbiriyle iç içe geçecek” olduğu için yapay zekadaki ilerlemelere de yardımcı olacak.

100,74 milyar dolarlık piyasa değerine sahip Dell hisseleri, YTD %85,66 artışla şu anda hisse başına 144,50 $ seviyesinde işlem görüyor. EPS (TTM) 4,36, P/E (TTM) 32,55 ve temettü getirisi %1,25. 2024’ün ilk çeyreğinde şirket, 22,2 milyar $ gelir ve 60 milyon $ net kar açıkladı.

Sonuç

Kuantum bilgisayarları, araştırmacılar, kuruluşlar ve hükümetler için giderek artan bir ilgi alanı oldu. Hızlı işlem, artırılmış güvenlik, daha yüksek verimlilik, doğru simülasyon ve geliştirilmiş analiz sunma yeteneği sayesinde, artan odaklanma, sürekli araştırma ve yatırımın mantıklı olduğu ve nihayetinde kuantum bilgisayarlarının gerçeğe dönüşerek tüm sektörlerde uygulama bulabileceği anlaşılmaktadır.

Kuantum bilgisayarlarının mevcut durumu hakkında bilgi edinmek için buraya tıklayın.