Kuantum Işınıyıcıları ve Kızılötesi Lazerlerle Bir Sonraki Nesil Bilgisayarların İnşası

Bilgisayarların tarihi, hesaplama ve otomasyon teknolojilerinin gelişimiyle iç içedir. Joseph Marie Jacquard’ın 1801’de tanıttığı delikli kartlarla denetlenen dokuma tezgâhı, programlanabilir makinelerin önemli öncüllerinden biriydi.

Charles Babbage, 19. yüzyılda sayı tablolarını hesaplamak için Fark Makinesi’ni ve daha sonra genel amaçlı Analitik Makine’yi tasarladı. Alan Turing ise 1936’da hesaplamanın kuramsal sınırlarını incelemek için bugün Turing makinesi dediğimiz modeli ortaya koydu. Evrensel Turing makinesi fikri, modern bilgisayar biliminin temellerinden biridir; o tarihte üretilmiş fiziksel bir bilgisayar değildi.

David Packard ve Bill Hewlett, 1939’da Hewlett-Packard’ı kurdu. Grace Hopper, derleyicilerin gelişimine öncülük etti ve 1959’da ortaya çıkan COBOL’u etkileyen çalışmalara katkıda bulundu; COBOL’u 1953’te tek başına geliştirmedi. John Backus ve IBM’deki ekibi de 1950’lerde FORTRAN’ın geliştirilmesine öncülük etti.

Bilgisayar teknolojisi hem yazılım ve programlama dilleri hem de donanımdaki gelişmelerle ilerledi. Kuantum hesaplama araştırmaları bu uzun gelişimin farklı bir yönünü oluşturuyor.

Aşağıda, 2024’te duyurulan kuantum ışık yayıcıları ve kızılötesi lazerlerle moleküler manyetik alan kontrolüne ilişkin iki araştırmayı ele alıyoruz.

Ölçeklenebilir kuantum sistemlerine yönelik bir yöntem

Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı öncülüğündeki ekip, hidrojen katkılı silikondaki ışık yayıcı kusurları femtosaniyelik lazer darbeleriyle oluşturmayı ve etkisizleştirmeyi gösterdi. Yöntem, bu aday yapıların konumunu kontrol etmeyi amaçlıyor; tamamlanmış, ölçeklenebilir bir kuantum bilgisayarın üretildiği anlamına gelmiyor.

Çalışmanın önemini anlamak için kubitleri ve bunların birbirine bağlanmasındaki güçlükleri ayırmak gerekir.

Çok sayıda kubiti birbirine bağlama sorunu

Kuantum bilgisayarlar belirli problem türlerinde klasik yöntemlere üstünlük sağlayabilir. Bu, her işlemi milyonlarca kat hızlandıracakları anlamına gelmez. Büyük ve hataya dayanıklı sistemler için çok sayıda kubit ile bunları denetleyen ve bağlayan bileşenler gerekir. Gerekli sayı, uygulamaya ve hata düzeltme mimarisine bağlıdır.

Araştırma, elektronik spin ile fotonlar arasında bağlantı kurabilecek aday yapıların yerini programlanabilir biçimde belirlemeye yönelik bir adım. Böyle bir bağlantı gelecekte kuantum düğümleri arasında iletişimde kullanılabilir; çalışmada tamamlanmış bir ağ gösterilmedi.

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.”

Ekip, silikondaki renk merkezlerini belirli konumlarda oluşturmayı ve pasifleştirmeyi araştırdı.

Silikondaki renk merkezleri ve spin-foton kubit adayları

Çalışmada hidrojen içeren bir ortam ve lazer darbeleri kullanılarak silikondaki renk merkezleri kontrol edildi. Bunlar ışık yayan kristal kusurlarıdır ve bazıları spin-foton kubiti için aday olabilir.

Kubit, kuantum bilgisinin temel birimidir. Durumu 0 ve 1 temel durumlarının süperpozisyonu olabilir; bu, sıradan bir sayının 0 ile 1 arasında bir değer almasıyla aynı şey değildir. Spin-foton sistemleri, spin bilgisini ışıkla ilişkilendirerek uzak düğümler arasında aktarımı mümkün kılmayı amaçlar.

Ekip çok kısa lazer darbeleri kullandı. Bir femtosaniye, saniyenin 10 üzeri 15’te biridir (10⁻¹⁵ saniye). Darbeler küçük bir bölgeye odaklanarak renk merkezlerinin kontrollü biçimde değiştirilmesini sağlıyor.

Yakın kızılötesi fotolüminesans ölçümleri sırasında ekip Ci adlı kuantum ışık yayıcı merkezini belirledi. Basit yapısı ve umut verici spin özellikleri onu bir aday yapıyor. Merkezin oda sıcaklığında kararlı olması, oda sıcaklığında çalışan bir kubitin veya ağın gösterildiği anlamına gelmez. Jhuria şöyle açıkladı:

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

Lazer şiddetinin değiştirilmesi, hidrojenin hareketini ve bazı renk merkezlerinin etkinliğini etkileyebiliyor. Ekip, silikon kafesini tahrip etmeden belirli yayıcıları oluşturma veya pasifleştirme imkânını araştırdı.

Kuramsal hesaplamalar, hidrojenin Ci merkezinin parlaklığını artırabileceğini destekledi. Lazer darbeleriyle hidrojenin konumu ve kusurlarla etkileşimi değiştirilerek ışık yayıcı adayların kontrolü amaçlanıyor.

Renk merkezlerini kontrollü oluşturmak bir başlangıçtır. Farklı adayların performansı, kuantum özellikleri ve birbirleriyle iletişim kurması ayrıca incelenmelidir.

“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

Sonraki araştırmalar, uygun adayları dalga kılavuzları gibi fotonik yapılara entegre etmeyi ve farklı uygulamalar için özelliklerini geliştirmeyi hedefliyor.

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.

Hesaplamalara göre kızılötesi ışığın özellikleri değiştirilerek oluşan yerel manyetik alanın yönü ve şiddeti kontrol edilebilir. Andreas Hauser ve ekibi, bunun gelecekte moleküler anahtarlama gibi uygulamalarda değerlendirilebileceğini öne sürüyor; çalışan bir kuantum devresi göstermediler.

Moleküler titreşimler ile spin manyetizması arasındaki etkileşimler mikrodalga spektroskopisinde iyi belgelenmiş olsa da bu çalışma, hedeflenen konumlarda manyetik alan oluşturan moleküler titreşimleri etkin biçimde uyarmaya yönelik yöntemler öneriyor.

Molekülleri Kızılötesi Lazerlerle Uyararak Manyetik Alan Oluşturma

Kızılötesi ışık, uygun moleküler titreşimleri uyarabilir. Araştırmacılar bu hareketlerin çok yerel manyetik alanlar oluşturup oluşturamayacağını kuramsal olarak hesapladı.

Ekip, halka biçimli metal ftalosiyanin moleküllerini modelledi. Öngörülen manyetik alanlar molekül çevresinde nanometre ölçeğindeki uzaklıklarda etkilidir. Nanometre bir uzaklık birimidir; manyetik alan şiddetinin birimi değildir. Etkinin nükleer manyetik rezonans ölçümleriyle sınanması önerildi.

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. 

Hesaplamalar, dairesel kutuplanmış ışığın birbirine dik iki titreşim bileşenini uyarabileceğini gösterdi. Hauser bunu dans hareketine benzeterek 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.” 

Bulgular kuramsal hesaplamalara dayanıyor. Kontrollü moleküler manyetik alan üretiminin deneysel olarak gösterilmesi ve kullanım koşullarının belirlenmesi gerekiyor.

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. 

IBM’in Heron ve Condor kuantum işlemcileri hakkında daha fazla bilgi için bağlantıya tıklayın.

Kuantum Bilgisayarının Alanını İlerleten Şirketler

Microsoft (MSFT ), Intel (INTC ) ve D-Wave gibi şirketler farklı kuantum teknolojileri üzerinde çalışıyor. IBM de bu alanda araştırmalar yürütüyor. IBM ile Japonya Ulusal İleri Endüstriyel Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (AIST) arasındaki iş birliği, bu on yıl içinde 10.000’in üzerinde kubit içeren sistemler geliştirme hedefini içeriyor; böyle bir bilgisayarın tamamlandığı anlamına gelmiyor. Diğer örnekler şunlar:

#1. Google 

Google, 2019’da belirli bir rastgele devre örnekleme deneyinde klasik hesaplama karşısında üstünlük iddiasında bulundu. Sonuç, bütün algoritmaların klasik süper bilgisayarlarda çalıştırılamayacağını veya kuantum bilgisayarların her işte daha hızlı olduğunu göstermedi.

2023’te 70 kubitli bir işlemciyle yapılan deneyler bildirildi. Daha önceki 53 kubitli düzenekle karşılaştırılan hesaplama güçlüğü, genel amaçlı hızın ve dayanıklılığın 241 milyon kat arttığı anlamına gelmez. Kuantum sistemleriyle manyetizma gibi olguların simülasyonu da ayrı bir araştırma alanıdır.

Google donanım ve yazılımı birlikte geliştiren bir yaklaşım izliyor. 2024’te duyurulan XPRIZE Quantum Applications, yararlı kuantum algoritmalarını teşvik etmeyi amaçlayan üç yıllık, 5 milyon dolarlık bir yarışmaydı.

Makalede Alphabet için verilen 2,2 trilyon dolarlık piyasa değeri, 177,08 dolarlık fiyat, yılbaşından itibaren %26,88 artış, 6,52 dolarlık hisse başına kâr, 27,18 fiyat/kazanç oranı ve %0,45 temettü verimi 2024 tarihli anlık verilerdir. 2024’ün ilk çeyreğinde şirket 80,5 milyar dolar gelir ve %32 faaliyet marjı bildirdi; gelir yıllık %15 arttı.

#2. Dell 

Dell, IonQ ile klasik ve kuantum sistemlerini birlikte kullanmaya yönelik bir platform sundu. Aramco ile iş birliği de kuantum hesaplama, yapay zekâ ve uç bilişim alanlarını araştırmayı hedefliyor. Enerji optimizasyonu, hava durumu, malzemeler ve öngörücü bakım olası araştırma konularıdır; tüm bu problemlerde kanıtlanmış kuantum üstünlüğü anlamına gelmez.

Dell Technologies (DELL ) İrlanda Genel Müdürü Catherine Doyle, kuantum hesaplama ile yapay zekâ araştırmalarının gelecekte birbirini destekleyebileceğini ifade etti.

Makalede Dell için verilen 100,74 milyar dolarlık piyasa değeri, 144,50 dolarlık fiyat, yılbaşından itibaren %85,66 artış, 4,36 dolarlık hisse başına kâr, 32,55 fiyat/kazanç oranı ve %1,25 temettü verimi tarihsel verilerdir. Mayıs 2024’te açıklanan 22,2 milyar dolar gelir ve 60 milyon dolar net kâr, 2025 mali yılının ilk çeyreğine aittir; 2024 takvim yılının ilk çeyreği olarak adlandırılmamalıdır.

Sonuç

Kuantum bilgisayarlar belirli hesaplama ve simülasyon problemleri için araştırılıyor. Kullanışlı, ölçeklenebilir ve hataya dayanıklı sistemler geliştirmek önemli zorluklar içeriyor. Hız, güvenlik veya verimlilik avantajları uygulamaya bağlıdır; her sektörde veya her görevde otomatik olarak elde edilmez.

Kuantum bilgisayarlarının mevcut durumu hakkında bilgi edinmek için buraya tıklayın.