Kuantum Bilişim, Gelişmiş Süperiletken Teknolojiyle İleriye Atılıyor

Yeni ortaya çıkan bir teknoloji olan kuantum bilişim, geleneksel bilgisayarların kapasitesinin ötesindeki karmaşık problemleri çözmek için kuantum mekaniklerinin yasalarını kullanır. 

Bu kuantum bilgisayarlar bilgiyi kuantum bitleri (veya qubitler) içinde depolar. Klasik bitlerin aksine, bu qubitler 0 ve 1 ikili durumunun ötesinde var olabilir ve bu sayede çok daha hızlı hesaplamalar yapabilir. 

Ayrıca, bu qubitler farklı biçimlerde gelir, yüklü iyon veya atom kullanan tuzak iyon qubitleri; ışık parçacıklarını kullanan fotonik qubitler; ve etraflarında elektrik akımı dolaşan bir devre döngüsü olan süperiletken qubitler.

‘Katı hâl’ kuantum hesaplamasının bir parçası olan süperiletken qubitler ilk kez 1999’da gösterildi. O zamandan beri, enerji kaybının azalması, düşük direnç, azalan decoherence, ölçeklenebilir kuantum devreleri, yüksek hızlı qubit çalışması, kararlı qubit durumları, yüksek doğruluklu qubit kontrolü ve hata düzeltme gibi faydalar sunan temel qubit teknolojilerinden biri haline geldi. 

Son on yılda, süperiletken kuantum bilişim fonksiyonel kuantum bilgisayarlar inşa etmek için popüler bir seçenek haline geldi ve devam eden araştırmalar bu bilgisayarları gerçeğe dönüştürmeye bizi yaklaştırıyor.

Süperiletken Malzemelerde Son Gelişmeler

Bu hafta, araştırmacı bir ekip Science Advances dergisinde kuantum bilişim için yeni bir süperiletken malzemenin geliştirilmesi üzerine bir çalışma yayınladı.

Yeni süperiletken malzeme, kuantum bilgiyi taşıyan ve verileri işleyen bir delik ya da elektronun yerelleşmemiş durumunu kullanan bir “topolojik süperiletken” adayıdır.

Kaliforniya Üniversitesi’nden fizikçi Peng Wei, trigonal tellür (manyetik olmayan, ayna görüntüsüyle üst üste bindirilemeyen bir malzeme) ile ince bir altın filminin yüzeyinde oluşturulan bir yüzey durumu süperiletkenini birleştiren bir araştırma ekibini yönetti.

Bu kombinasyon gelişmiş spin polarizasyonuna sahip 2D arayüz süperiletkeni yarattı; bu da uyarıların potansiyel olarak kararlı bir spin qubiti oluşturmak için kullanılmasını sağlıyor. Bu çığır açan süperiletken malzeme, kuantum bilişim bileşenlerinin ölçeklenebilirliğini ve güvenilirliğini devrim niteliğinde değiştirme potansiyeline sahiptir. 

“Kiral materyal ile altın arasındaki çok temiz bir arayüz oluşturarak iki boyutlu bir arayüz süperiletkeni geliştirdik. Arayüz süperiletkeni, spin enerjisinin geleneksel süperiletkenlere göre altı kat daha artırıldığı bir ortamda var olduğu için benzersizdir.”

– Wei, fizik ve astronomi doçenti

Manyetik bir alan altında, malzeme daha fazla bir geçiş yaptığı gözlendi; bu da onun bir üçlü (triplet) süperiletken olarak kullanılabileceğini gösteriyor ve daha dayanıklı kuantum bilişim bileşenlerine yol açabilir. Yüksek manyetik alanda düşük manyetik alana göre daha dayanıklı hale geldi. 

Ayrıca, daha temiz arayüzler için manyetik olmayan malzemeler kullanarak bu yeni teknoloji, kuantum bilişimde bir zorluk olan decoherence kaynaklarını doğal olarak bastırıyor. 

Araştırmacılar ayrıca süperiletkenin yüksek kaliteli düşük kayıplı mikrodalga rezonatörlerine dönüştürülme yeteneğini gösterdi; bu rezonatörler kuantum bilişimin kritik bileşenleridir. Böylece düşük kayıplı süperiletken qubitler elde edilebilir. 

Decoherence ya da bir qubit sistemindeki kuantum bilgi kaybının azaltılması, kuantum bilişimin en büyük zorluğu olduğundan, bu araştırma daha ölçeklenebilir ve güvenilir kuantum bilişim bileşenlerinin geliştirilmesine yardımcı olabilir. Wei’ye göre:

“Endüstride tipik olarak kullanılan malzemelerden bir mertebe daha ince malzemeler kullanarak bunu başardık.”

Bu mikrodalga rezonatörlerinin kalite faktörü 1 milyon seviyesine ulaşıyor.

Bundan bir hafta önce, UCLA liderliğindeki bir ekip de kuantum bilişim için umut vaat eden yeni bir malzeme sunan bir çalışma yayınladı. 

Malzeme, çok daha yüksek manyetik alanlarda süperiletken özelliklerini korudu ve süperiletken diyot etkisini gösterdi. Bu etki, akımın bir yönde daha fazla akmasını sağlar; genellikle kiral süperiletkenlerde görülür ve geleneksel süperiletkenlerde nadiren görülür.

Kiral bir davranışı geleneksel bir süperiletken içinde ortaya çıkarmak için araştırmacılar, 2D malzeme tantalum disülfür (TaS2) ile bir kiral moleküler tabaka ve katmanlı bir yapı oluşturdular.

Bu çalışma, kuantum bilişimin verimliliğini ve stabilitesini artırma potansiyelini ve geleneksel elektroniklerin daha hızlı ve daha enerji verimli hale gelmesini gösterdi.

Qubit Kontrolü ve Ölçeklenebilirlikte Yenilikler

Kuantum bilgisayarların “dünyayı kökten değiştirme” kapasitesine sahip olmasıyla, pratik bir kuantum bilgisayar inşa etmek için dünya çapında bir yarış başladı.

Bununla birlikte, kuantum bilgisayarların büyümesini engelleyen en büyük zorluklardan biri ölçeklenebilirliktir; bu, yeterince büyük bilgisayarların gerçek yaşam problemlerini çözebilmesi anlamına gelir. Kullanışlı problemleri çözebilen bir kuantum bilgisayarına sahip olmak için ya daha fazla qubit ya da hesaplamalar sırasında ortaya çıkan hataları azaltmanın güvenilir bir yoluna ihtiyacımız var.

Bu sorunu ele almak için Japon araştırmacılar, yönetilebilir qubit sayısını artırarak ve gereken qubit sayısını azaltarak problemi çözmeye çalıştı.

Birkaç ay önce, araştırmacılar düşük sıcaklıklarda birçok qubiti kontrol edebilen bir süperiletken devreyi başarıyla gösterdiler.

Bu deneyde, bir süperiletken devre, mikrodalga çoklama (microwave multiplexing) kullanarak tek bir kablo üzerinden birden fazla qubiti kontrol edebildiği gösterildi. Devre, kablo başına mikrodalga sinyali yoğunluğunu yaklaşık 1.000 kat artırma potansiyeline sahip. Bu başarı, kontrol edilebilir qubit sayısını önemli ölçüde artırabilir ve büyük ölçekli kuantum bilgisayarların geliştirilmesine katkı sağlayabilir.

Qubitlerin ve oda sıcaklığı elektroniklerinin ortasına giden donanımı azaltmak için yenilikçi bir ‘cryo-electronics’ geliştirildi. ‘Cryo-electronics’, qubit kontrolü ve okuması için qubitlerin yakınındaki kriyojenik sıcaklıklarda çalışan elektroniklerdir. 

Cryo-electronics, mutlak sıfırın dört derece üzerindeki yüksek hızlı saat frekanslarında da çalıştığı gösterildi. Şimdi odak, qubitlerin yanındaki ısı üretimini en aza indirmek için enerji tüketimini azaltmak üzerine.

Japon araştırmacıların bir diğer odak noktası işlem hatalarını düzeltmenin yollarını bulmak. Bu arada Princeton Üniversitesi araştırmacıları, hatasız kuantum bilişim için bir imalat tekniği geliştirdi.

Bu araştırmada, bilim insanları topolojik bir yalıtkan olan tungsten ditelluride (WTe2) üzerine bir süperiletken katman yarattılar. Teknik, yalıtkanın yüzeyine bir ‘tohum’ (palladium) metal tabakası ekleyerek yeni bir kristal yapı Pd7WTe2 oluşturdu; bu yapı sıfır direnç gösterdi.

Atom yayma tekniği, molibden ditelluride (MoTe2) dahil olmak üzere çeşitli bileşenlerle başarılı bir şekilde çalıştı.

Daha fazla test, bunun topolojik bir süperiletken olup olmadığını belirlemek için gerekli olsa da, araştırmacılar yeni süperiletkenlerin genel yöntemleriyle üretilebileceğine inanıyor.

Decoherence’ı Ele Almak ve Performansı İyileştirmek

Bu yılın başlarında araştırmacılar, süperiletken devrelere yeni bir yaklaşım getirdi; bu yaklaşım bir kuantum bilgisayarının çalışma süresini önemli ölçüde uzatma potansiyeline sahip.

Daha önce belirttiğimiz gibi, böyle bir bilgisayarın sürekli çalışması, bir qubitin kuantum durumunun ne kadar kolay kararsızlaşabildiği nedeniyle kesintiye uğrar. Bu durum decoherence olarak adlandırılır ve hesaplamalarda hatalara yol açar. Bu, diğer qubitler ve çevreleriyle etkileşimlerden kaynaklanır.

Ve süperiletken qubitler, farklı durumlar arasında en kısa sürede geçiş yapabildikleri için araştırmaların odak noktasıdır. Ancak geçiş süresini artırabilirken, milisaniyeler içinde decoherence’a da daha duyarlıdırlar.

Bu yüzden, uluslararası bir araştırmacı grubu “flowermon” adlı bir Josephson bağlantı tasarımı önerdi. Bu tasarım, bakır temelli bir süperiletken malzeme olan iki tek atom kalınlığında kuprat levhası kullanıyor.

“Flowermon, korumalı kuantum devreleri için alışılmadık süperiletkenlerin kullanılmasına dair eski fikri modernize ediyor ve yeni imalat teknikleri ile süperiletken devre koheransının yeni bir anlayışını birleştiriyor.”

– Uri Vool, Almanya’daki Max Planck Katı Kimya Enstitüsü’nden bir fizikçi

Ekibin hesaplamalarına göre, tasarımları gürültüyü azaltarak qubitlerin koherans süresini mertebelerce artırabilir. Ancak bu sadece teorikti ve ekip sonuçlarını bir sonraki adımda süperiletken qubitleri optimize etmek için kullanmayı planlıyor.

Kuantum bilgisayarların performansını ele almak için geçen yıl Minnesota Üniversitesi Twin Cities’den bir araştırmacı ekibi, sadece kuantum bilgisayarları ölçeklendirmekle kalmayıp aynı zamanda yapay zeka sistemlerini de iyileştirebilen ayarlanabilir bir süperiletken diyot geliştirdi. 

Diyot, akımın tek yön akmasına izin veren bir cihazdır. Genellikle yarı iletkenlerle yapılırken, araştırmacılar enerji kaybı olmadan enerji transferi sağlayan süperiletken diyotlar üzerinde çalışıyor.

Kıdemli araştırma yazarı Vlad Pribiag, Minnesota Üniversitesi Fizik ve Astronomi Okulu’nda doçent, şunları belirtti:

“Bilgisayarları daha güçlü hale getirmek istiyoruz, ancak mevcut malzemelerimiz ve imalat yöntemlerimizle yakında bazı katı sınırlarla karşılaşacağız.” 

Bilgi işlem gücünü artırmadaki en büyük zorluk enerjiyi yaymaktır; bu yüzden ekip süperiletken teknolojileri kullanmayı seçti.

Süperiletken diyot cihazı üç Josephson bağlantısı kullanılarak inşa edildi. Süperiletkenlerin ortasına süperiletken olmayan malzeme parçaları yerleştirerek, araştırmacılar süperiletkenleri yarı iletken katmanlarıyla bağladılar. 

Bu benzersiz tasarım, araştırmacıların cihazın davranışını voltajla kontrol etmesine izin verdi. Ayrıca, tipik diyotların yalnızca tek bir giriş ve çıkışı işleyebildiği gibi, bu cihaz aynı anda birden fazla elektrik sinyalini işleyebiliyor. Bu özellikler, süperiletken diyotun beyin‑ilhamlı nöromorfik hesaplamada kullanılmasını mümkün kılıyor.

Nöromorfik hesaplamada, elektrik devreleri insan beynindeki nöronların çalışma şeklini taklit edecek şekilde tasarlanır ve performansı artırır.

Makalenin birinci yazarı Mohit Gupta’ya göre, bu yeni süperiletken diyot diğer süperiletken diyotlara göre daha enerji verimlidir. Özellikle, ilk kez enerji akışını kontrol eden bir dizi kapı (gate) ile geliyor. Bu özellik daha önce bir süperiletken diyota eklenmemişti, ancak bu çalışma “kapılar ekleyebileceğinizi ve elektrik alanları uygulayarak bu etkiyi ayarlayabileceğinizi” gösterdi. 

Ayrıca, bu araştırmada kullanılan malzeme endüstri dostu ve yeni işlevler sunabiliyor.

Bu çalışmada kullanılan teknik, herhangi bir süperiletkenle daha da kullanılabilir ve bu da onu son derece esnek ve endüstri uygulamalarıyla uyumlu kılıyor. Bu nitelikler, kuantum bilgisayarların daha geniş bir kullanım için geliştirilmesini ölçeklendirmeye yardımcı olabilir.

“Şu anda piyasadaki tüm kuantum bilgisayar makineleri, gerçek dünya uygulamalarının ihtiyaçlarına göre çok temel seviyede. Kullanışlı, karmaşık problemleri çözebilecek kadar güçlü bir bilgisayar elde etmek için ölçeklendirme şart.”

– Pribiag

Bu, AI kullanımının önemli ölçüde artmasıyla bugün özel bir öneme sahip. Bu, klasik bilgisayarların performansını aşabilecek algoritmalar araştıran insanları harekete geçirdi. Pribiag’ın belirttiği gibi, bu çalışma bu algoritmaları uygulayabilecek donanımı geliştiriyor. 

Araştırma, esas olarak ABD Enerji Bakanlığı tarafından finanse edildi; kısmen Ulusal Bilim Vakfı ve Microsoft Research tarafından desteklendi.

Performansı Etkilemeden 2D Malzemelerle Qubitleri Küçültmek

Araştırma ve geliştirme çalışmaları, bilim insanlarının geleneksel qubitlerden çok daha küçük süperiletken qubitler inşa etmesine yol açtı. Bu süperiletken qubitler 2D malzemeler kullanılarak üretildi.

Klasik bilgisayarların hız ve kapasitesini aşmak için, kuantum bilgisayarlarının qubitleri aynı dalga boyunda olmalı. Bunu başarmak için araştırmacılar genellikle bu qubitlerin boyutundan ödün vermek zorunda kalıyor; bugün bile milimetre ölçüsünde olan bu qubitler, klasik muadillerinin nanometreye küçülmüş transistörlerinden çok daha büyük.

Qubitlerin boyutunu küçülterek fiziksel ayak izini azaltmak ve performanslarını korumak için Columbia Üniversitesi Mekanik Mühendisliği Wang Fong‑Jen Profesörü James Hone, gerçekten çok küçük bir süperiletken qubit kapasitörü sergiledi.

Eskiden mühendisler, qubit çipleri üretmek için düzlemsel kapasitörler kullanıyordu. Burada, yüklü plakalar yan yana yerleştirildi; yığınlanabilirlerse alan tasarrufu sağlasa da bu, qubit bilgi depolamasını engellerdi.

Bu yüzden Hone’un doktora öğrencileri Anjaly Rajendra ve Abhinandan Antony, iki yüklü süperiletken niyobyum diselenit plakası arasına bir boron nitrür yalıtkan katmanı sıkıştırdı. Sadece bir atom kalınlığında olan bu katmanlar, van der Waals kuvvetleriyle, yani elektrostatik kuvvetler arasındaki zayıf bir etkileşimle birbirine tutunur. 

Kapasitörler daha sonra alüminyum devrelerle birleştirilerek bir çip oluşturuldu. Bu çip iki qubit içeriyordu ve sadece 35 nanometre kalınlığındaydı; geleneksel yaklaşımlarla üretilenlerin bin katı küçüktü.

Soğutulduğunda, qubitler aynı dalga boyunu elde etti. Ayrıca birbirleriyle dolaşık hâle gelerek tek bir birim gibi davrandıkları gözlendi. Bu kuantum koherensi, sadece kısa ömürlü (bir mikro saniyeden biraz fazla) olsa da, qubitin kuantum durumunun elektriksel darbelerle manipüle edilip okunabileceği anlamına geliyor. Hone’a göre:

“Artık 2D malzemelerin kuantum bilgisayarlarını mümkün kılabilecek anahtar olabileceğini biliyoruz. Henüz çok erken bir aşama, ancak bu bulgular dünya çapındaki araştırmacıları 2D malzemelerin yeni uygulamalarını düşünmeye teşvik edecek. Bu yönde çok daha fazla çalışmayı görmek istiyoruz.”

Benzersiz yapıları sayesinde iki‑boyutlu (2D) kuantum malzemeler, malzeme biliminde önemli bir atılımı işaret ediyor. 3D malzemelerin aksine, 2D kuantum malzemeler sadece bir ya da birkaç atom kalınlığındadır ve elektronlar üç yönde hareket edebilir.

Popüler 2D malzemeler arasında Silicene, Graphene, Germanene, Stanene, Phosphorene, Geçiş Metali Dikalkojenitleri (TMDC’ler) ve Hexagonal Boron Nitride (h‑BN) bulunur.

Bu malzemeler çeşitli özellikler ve dönüştürücü teknolojik uygulamalar için potansiyel sunsa da, sentez, entegrasyon ve ölçeklenebilirlik açısından aşılması gereken zorluklarla karşı karşıyadır; bu zorluklar tam potansiyellerinin gerçekleşmesinden önce üstesinden gelinmelidir.

Kuantum Bilişim Devrimini Yöneten Öncü Şirketler

Şimdi, süperiletkenler ve kuantum bilişimle ilgilenen bazı önde gelen şirketlere bir göz atalım:

#1. Alphabet (Google)

Alphabet, yan kuruluşu Google Quantum AI aracılığıyla kuantum bilişim araştırmalarına büyük yatırımlar yapıyor. Bölüm, 2019’da 200 saniyede bir hesaplamayı tamamlayabilen ve güçlü bir süper bilgisayarın 10.000 yıl süreceği bir görevi yerine getiren Sycamore adlı bir süperiletken kuantum işlemcisi yarattı. O zamandan beri Sycamore kuantum işlemcisi önemli ölçüde büyüdü ve şimdi 70 qubit barındırıyor, önceki modeline göre 241 milyon kat daha güçlü.

Teknoloji devi, 2,06 trilyon $ piyasa değerine sahip ve hisseleri (GOOGL:NASDAQ) 165,68 $’dan işlem görüyor; YTD %18,56 artış. 2024 İkinci Çeyrek’te Alphabet, net gelirini %28,6 artırarak 23,6 milyar $’a, toplam geliri ise %14 artışla 84,74 milyar $’a çıkardığını bildirdi. Google ana şirketi ayrıca hisse başına 0,20 $ nakit temettü duyurdu.

#2. NVIDIA Corporation

NVIDIA, ortaklıklar ve iş birlikleri aracılığıyla kuantum bilişim ve süperiletkenleri araştırıyor. Bu yılın Mart ayında, şirket, Almanya, Japonya ve Polonya’daki ulusal süper bilgisayar merkezlerinde kuantum bilişim çabalarını hızlandıracağını, açık kaynaklı NVIDIA CUDA‑Q™ platformu ile duyurdu.

Piyasanın AI gözdesi NVIDIA hisseleri bu yıl büyük bir yükseliş yaşadı; 2024’te %161,24 artış kaydetti. Bu yükseliş, NVDA hisselerinin 129,45 $’a işlem görmesini sağladı ve şirketin piyasa değeri 3,188 trilyon $ oldu. Çip üreticisi, 2024 Birinci Çeyrek’te rekor bir gelir elde etti; geliri 22,1 milyar $ olarak gerçekleşti.

Sonuç

Dolayısıyla, dünya çapındaki araştırmacılar, kuruluşlar ve şirketler, karmaşık problem çözümünde üstün olan kuantum bilişimi ilerletmek için çalışıyor. Özellikle süperiletken teknolojiye odaklanmak, önemli ilerlemeleri tetikliyor ve bu dönüştürücü teknolojinin tam potansiyelini gerçekleştirmeye bizi yaklaştırıyor. 

Kuantum bilişimin mevcut durumu hakkında bilgi edinmek için buraya tıklayın.