Elmaslar Kuantum Hesaplama için Geliştirilmiş Qubit’leri Açığa Çıkarabilir mi?

Kuantum Hesaplama için Elmas Kullanımı

Klasik bilgisayarlar 0 ve 1 değerlerini alan bitleri kullanırken kuantum bilgisayarlar kübitlerden yararlanır. Kuantum sistemlerinin davranışında iki önemli kavram süperpozisyon ve dolanıklık.

• Süperpozisyon bir kübitin 0 ve 1 durumlarının bir birleşiminde bulunmasını sağlar. Çok kübitli sistemlerin durum uzayı hızla büyür; ancak bu, ölçümle bütün olası sonuçların aynı anda okunabileceği anlamına gelmez.
• Dolanıklık kübitlerin ölçüm sonuçları arasında klasik olarak açıklanamayan ilişkiler oluşturur. Uzak sistemler arasında bu ilişkiler bulunabilir; fakat dolanıklık tek başına ışıktan hızlı bilgi veya sinyal iletimine izin vermez.

Bu özellikler, uygun algoritmalarla bazı problemler için kuantum işlemcilerine avantaj sağlayabilir. Kuantum bilgisayarlar her problemi otomatik olarak daha hızlı çözmez; hızlanma algoritmaya, donanıma ve hata kontrolüne bağlıdır.

Stacey, kübitlerin kuantum durumlarının hassas çevresel ölçümlerde kullanılabileceğini vurguluyor. Buradaki avantaj, tek bir kübitten sınırsız klasik bilgi okunması değil, kuantum davranışının algılama ve hesaplamada değerlendirilmesidir.

Alastair Stacey – PPPL’de baş araştırma fizikçisi ve kuantum malzemeleri ve cihazları biriminin yöneticisi.

Elmas, elektronik ve kuantum teknolojileri için ilgi çekici bir malzemedir. Princeton Plazma Fiziği Laboratuvarı (PPPL) ve Princeton Üniversitesi araştırmacıları, Diamond and Related Materials dergisinde «Yüzey reaksiyonlarının kuantum kimyası modeli ve elmas büyümesinin kinetik modeli: Düşük sıcaklıklarda CVD’de CH₃ radikalleri ve C₂H₂ moleküllerinin etkileri¹» başlıklı çalışmayı yayımladı.

PPPL, Princeton ve Avustralya’daki araştırmacıların ilgili bir diğer çalışması ise «Elmasın renk merkezini koruyan hidrojen-terminasyon yöntemleri²» başlığıyla yayımlandı.

Talep Üzerine Elmas Üretimi

Laboratuvarda elmas üretmek için yüksek basınç ve sıcaklık yöntemleri ya da kimyasal buhar biriktirme gibi farklı teknikler kullanılabilir. Hepsi aynı koşulları gerektirmez. Silisyum tabanlı elektroniklerle uyumlu üretim için sıcaklığın düşürülmesi önemlidir.

İncelenen yaklaşımlardan biri, asetilenin de rol oynadığı plazma destekli kimyasal buhar biriktirmedir.

Kaynak: PPPL

Asetilen, elmas büyümesine katkıda bulunabildiği gibi is oluşumuna da yol açabilir. Elmas üzerinde biriken is, optik ve elektronik uygulamaları olumsuz etkileyebilir. Araştırma, hangi koşulların bu iki süreci desteklediğini açıklamaya çalışıyor.

Uygun Sıcaklık ve Hidrojen Koşulları

Araştırmacılar, asetilenin elmas veya is büyümesine katkısının sıcaklığa ve yüzeye yakın kimyasal koşullara bağlı olduğunu belirledi. Tek ve evrensel bir üretim sıcaklığı yerine, gaz bileşimi ve atomik hidrojen miktarıyla değişen bir eşik söz konusudur.

Kaynak: Diamond and Related Materials

Yüzeye yakın atomik hidrojen miktarı da önemlidir. Uygun koşullarda daha fazla hidrojen, daha düşük sıcaklıklarda elmas büyümesini destekleyebilir.

Khrabry, hidrojenin ayrışmasının metanın asetilene dönüşümünde ve atomik hidrojenin büyüme yüzeyine taşınmasında önemli olduğunu açıklıyor.

Alexander Khrabry – Princeton Üniversitesi araştırmacısı

Bu bulgular, elmas üretiminin silisyum mikroelektroniğiyle daha uyumlu hale getirilmesine katkıda bulunabilir. Ancak her tür devrenin içinde kusursuz ve zararsız elmas üretiminin artık hazır olduğu anlamına gelmez.

Kuantum Elmasları

Saf karbon örgüsünden oluşan elmaslar optik, ısı yönetimi ve elektronik uygulamalarda kullanılabilir. Kontrollü atomik kusurlar içeren elmaslar ise farklı kuantum olanakları sunar.

Örneğin azot-boşluk (NV) merkezi, elmas örgüsündeki bir karbon atomunun yerini azotun aldığı ve yanında bir atom boşluğunun bulunduğu kusur yapısıdır.

Bu merkezlerin elektronik spin durumları kübit veya hassas sensör olarak kullanılabilir. Elmas içindeki elektronlar, başka malzemelerdeki elektronlar gibi zaten kuantum fiziğine uyar; kusur eklemek onları ilk kez kuantum kurallarına tabi kılmaz.

Stacey, bu malzemedeki elektronların kuantum davranışlarından yararlanarak hesaplama ve algılama yapılabileceğini belirtiyor.

Alastair Stacey – PPPL’de kuantum malzemeleri ve cihazları biriminin yöneticisi.

Elmas Yüzey İşlemlerini Geliştirmek

Elmas yüzeylerinin plazmayla işlenmesinde süreçlerin ayrıntıları hâlâ araştırılıyor. Deneme yanılmayı azaltmak için yüzey kimyasının ve kusurların nasıl etkilendiğinin daha iyi anlaşılması gerekiyor.

Yüzeye tek atom kalınlığında hidrojen tabakası eklemek bazı uygulamalar için yararlıdır. Ancak geleneksel yüksek sıcaklıklı plazma işlemi, yüzeye yakın NV merkezlerinin özelliklerine zarar verebilir.

Araştırmacılar, yüzey işlemlerinin etkisini incelemek için fotolüminesans spektroskopisi ve başka analiz yöntemleri kullandı.

Kaynak: Advanced Materials Interfaces

İki alternatif hidrojen sonlandırma yöntemi incelendi. Her ikisi de yarar sağlarken farklı ödünleşimler içeriyordu.

Kaynak: Advanced Materials Interfaces

• Azot-hidrojen gaz karışımında tavlama, hidrojen ve azot içeren yüksek saflıkta bir karışım kullanır. Sonuçlar sıcaklığa ve gaz saflığına duyarlıdır; az miktarda oksijen bile yüzey tabakasının kalitesini etkileyebilir.
• Soğuk plazmayla sonlandırma, numuneyi doğrudan yüksek sıcaklığa çıkarmadan hidrojen plazması kullanır. NV merkezlerinin özelliklerini korudu; ancak hidrojen tabakasının kalitesi geleneksel sıcak işleme göre daha düşüktü.

McCloskey, yüzey kalitesi ile NV özelliklerinin korunması arasında uygulamaya göre denge kurulması gerektiğini vurguluyor. Özellikle yüzeye yakın merkezlerden yararlanan biyomoleküler algılamada bu önemlidir.

Daniel McCloskey – Melbourne Üniversitesi araştırmacısı.

Bu çalışmalar, elmasın elektronik ve kuantum uygulamalarında kullanılmasını geliştirebilecek iki alana katkıda bulunuyor:

• Silisyum tabanlı üretimle daha uyumlu elmas büyütme koşullarının anlaşılması.
• Yüzeydeki hidrojen tabakası düzenlenirken kuantum uygulamalarında kullanılan NV merkezlerinin korunması.

Yeni Kuantum Bilgisayarlar

Kuantum bilgisayarlar süperiletken devreler, hapsolmuş iyonlar, fotonlar ve yarı iletken spinleri gibi farklı donanım yaklaşımlarıyla geliştiriliyor. Bu nedenle bütün sistemlerin klasik silisyum üretiminden türediğini söylemek doğru değil.

Elmas kusurları da bu yaklaşımlardan biridir. Bazı kuantum işlemlerinin oda sıcaklığında yapılabilmesi ilgi çekicidir; ancak ölçeklenebilir ve hataya dayanıklı genel amaçlı bilgisayarların hazır olduğu anlamına gelmez.

SPINUS projesi, oda sıcaklığında çalışan daha büyük kuantum sistemleri için araştırma hedefleri ortaya koyuyor. Elli kübitin ötesine geçmek ve daha yüksek sayılara ölçeklemek teknik geliştirme gerektirir.

İlaç araştırması, optimizasyon ve malzeme bilimi olası uygulama alanlarıdır. Bunların pratik yararı, yalnızca kübit sayısına değil, kontrol kalitesine, hatalara ve kullanılan algoritmalara da bağlıdır.

Martin Koppenhöfer – SPINUS’ta proje koordinatörü

Elmasın yanında, alüminyum nitrürden yapılan piezoelektrik nanomekanik rezonatörler de kuantum sensörleri veya dönüştürücüleri için araştırılıyor.

Yeni malzemeler kuantum teknolojilerinin olanaklarını genişletebilir. Hangi yaklaşımın belirli bir uygulama için daha uygun olacağı, devam eden araştırmalarla belirlenecek.

Kuantum Hesaplamaya Yatırım

Kuantum hesaplama henüz gelişme aşamasındadır, ancak büyük teknoloji şirketleri ve uzman girişimler önemli yatırımlar yapmaktadır.

Kişisel bilgisayarların yerini almak yerine, bazı fizik, biyoloji, malzeme bilimi ve kriptografi problemlerinde özel bir araç haline gelebilir. Ticari uygulamaların kapsamı ve zamanlaması belirsizdir.

Kuantum hesaplama şirketlerine çeşitli aracı kurumlar üzerinden yatırım yapılabilir. securities.io üzerinde ABD, Kanada, Avustralya, Birleşik Krallık, diğer birçok ülke için aracı kurum incelemelerini bulabilirsiniz.

Belirli şirketleri seçmek yerine tematik ETF’ler de incelenebilir. Örneğin ProShares Nanotechnology ETF (TINY) nanoteknolojiye odaklanırken WisdomTree Cloud Computing Fund (WCLD) bulut bilişim şirketlerine odaklanır. Bu fonlar doğrudan ve saf kuantum hesaplama yatırımları değildir. Fonun portföyü, maliyetleri ve riskleri ayrıca değerlendirilmelidir.

Ayrıca «En İyi 10 Nanoteknoloji Hissesi» ve  «En İyi 5 Kuantum Hesaplama Şirketi» listelerimizi inceleyebilirsiniz.

Kuantum Hesaplama Şirketleri

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM), ana bilgisayarların ticari gelişiminde önemli rol oynamış bir teknoloji şirketidir.

IBM’in iş modeli Apple (AAPL ), TSMC (TSM ) ve NVIDIA’dan (NVDA ) farklıdır. Bu şirketleri yalnızca üretim hacmiyle sıralamak, farklı faaliyet alanlarını gözden kaçırır.

IBM, kuantum işlemci geliştiren şirketlerden biridir. 127 kübitli Eagle ve 433 kübitli Osprey, daha büyük sistemler geliştirme çalışmalarının aşamalarıdır.

Aralık 2023’te tanıtılan Condor, 1.121 süperiletken kübit içeren bir işlemcidir. Aynı dönemde sunulan ilk Heron ise 133 kübitliydi ve ayarlanabilir bağlaştırıcılarla daha düşük hata oranlarına odaklanıyordu. Daha fazla fiziksel kübit, tek başına daha yararlı veya hataya dayanıklı bir bilgisayar demek değildir.

Kübitlerin kararlılığı ve güvenilirliği için hassas kontrol önemlidir. Gerekli kontrol yöntemleri, kullanılan donanım türüne göre değişir.

Süperiletken devreler çok düşük sıcaklıklar ve dikkatli elektromanyetik tasarım gerektirir. Elmas yüzey araştırmaları, IBM’in süperiletken işlemcilerinin artık yüksek sıcaklıkta çalışacağını göstermez.

IBM’in araştırmaları kuantum hesaplamanın yanında iletken organik malzemeler, nöromorfik hesaplama, fotoniği gibi başka alanları da kapsar.

IBM araştırma sonuçlarını patentler, ürünler, hizmetler ve iş birlikleriyle değerlendiren büyük bir teknoloji şirketidir. Faaliyetleri yalnızca patent lisanslamasından ibaret değildir.

Yeni hesaplama yöntemlerindeki araştırmalar gelecekte fırsatlar yaratabilir. Bunun gelir veya yatırım getirisine dönüşmesi, teknik gelişime ve ticari uygulamalara bağlıdır.

Çalışma Referansı:

^{1. Barsukov, Y., Kaganovich, I. D., Mokrov, M., & Khrabry, A. (2024). Yüzey reaksiyonlarının kuantum kimyası modeli ve elmas büyümesinin kinetik modeli: Düşük sıcaklıklarda CVD’de CH₃ radikalleri ve C₂H₂ moleküllerinin etkileri. Diamond and Related Materials, 149, 111577. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111577}

^{2. McCloskey, D. J., ve diğerleri (2024). Elmasın renk merkezlerini koruyan hidrojen sonlandırma yöntemleri. Advanced Materials Interfaces, 11(24), 202400242. https://doi.org/10.1002/admi.202400242}