Ses Dalgaları Kuantum Bilgisini Depolamada Çığır Açıyor

Kuantum bilgisayarlar, yapay zeka, finans, lojistik, malzeme bilimi, ilaç keşfi ve kriptografi alanlarında çığır açacak çözümler üretmek için karmaşık problemleri çözmede benzeri görülmemiş bir hız vaat ediyor.

Ancak teknolojinin potansiyeli büyük olsa da, bunu hayata geçirmek kolay değil; pratikte kuantum bilgisayarları çalıştırmak ve gerçek dünya problemlerini çözmek için kullanmak gerçekten çok zor olduğunu kanıtladı.

Kuantum bilgisayarlar hâlâ deneysel bir teknoloji olup, araştırmacılar çalışıyor engelleri aşmak için kuantum seviyesindeki fenomenlerin doğru simülasyonlarını gerçekleştirmeye çalışıyorlar. Buradaki temel sorunlardan biri, bilgiyi uzun bir süre depolamaktır.

Bu süperiletken kuantum bitlerinin kuantum bilgisini işleme konusunda büyük yeteneklere sahip olmalarına rağmen, oldukça sınırlı koherans sürelerine sahiptir.

Koherans, bir kuantum sisteminin süperpozisyondaki farklı durumlar arasındaki ilişkiyi koruma yeteneğidir. Bu temel özellik, kuantum bitlerinin temel durumların lineer kombinasyonunda var olmasını sağlar ve kuantum bilgisayarının çekirdeğini oluşturan paralellik ve girişimi mümkün kılar.

Kuantum işlemlerini gerçekleştirmek için gerekli olan koherans, oldukça kırılgandır ve ortamla yapılan küçük etkileşimlerle bile kolayca kaybolabilir.

Koherans yoksa, kuantum davranışı kuantum biti tarafından kaybedilir ve kuantum hesaplamaları anlamsız hale gelir. Bu arada, decoherence koheransın kaybolduğu süreçtir ve kuantum bilgisayarları inşa etmede ve işletmede büyük bir zorluk olmaya devam etmektedir.

Şu anda, süperiletken kuantum bitleri, kuantum bitlerini gerçekleştirmek için fiziksel bir yol olup, çalışabilmek için kuantum koheransını sürdürmeye dayanır. Ancak elbette decoherence hâlâ en büyük zorluklarıdır.

Süperiletken kuantum bitleri belirli malzemelerden yapılmış küçük devrelerdir ve süperpozisyon ve dolanıklık gibi kuantum fenomenlerini kullanarak hesaplamalar yaparlar. Devreyi oluşturan malzemeler neredeyse mutlak sıfıra kadar soğutulur, bu da onları süperiletken hâle getirir; yani direnç olmadan elektrik akımı taşıyabilirler.

Bu süperiletken kuantum bitleri hızlı hesaplamalarda dikkat çekici olsa da, bilgiyi uzun süre depolamakta zorlanırlar.

Fotonlar ve fononlar arasındaki bir arayüz, kuantum bilgisinin uzun ömürlü mekanik osilatörlerde depolanmasını sağlayabilir. Caltech’teki bir ekip tam da bunu başarmıştır; kuantum biti ile bir nanomekanik osilatör arasında güçlü bir bağ kurmak için nanoskalalı yapılarda elektrostatik kuvvetlere dayanan bir platform tanıttılar.

Enerji sönüm süresi (T1) yaklaşık 25 ms’dir ve bu, entegre süperiletken devrelerde elde edilenlerden daha yüksektir.

Decoherence’in kökenlerini araştırmak ve etkisini azaltmak için ekip kuantum işlemlerini kullandı. İki darbeli dinamik dekolleme sekanslarının kullanımı, koherans süresini (T2) 64 µs’den 1 ms’ye uzatarak daha uzun bir koherans süresi elde etmelerine yardımcı oldu.

Araştırmanın bulguları, süperiletken cihazlarda mekanik osilatörlerin kuantum bellekleri olarak hizmet edebileceğini, ve kuantum bilgisayar, algılama ve dönüşümde kullanılma potansiyeline sahip olduğunu gösteriyor.

Ses Dalgaları Kuantum Durumlarını Daha Uzun Süre Depoluyor

Geleneksel bilgisayarlar dizüstü bilgisayarlar ve telefonlar gibi bilgiyi bit biçiminde depolar.

Bitler, sıfır ya da bir ikili değerini alan temel mantık birimleri olan dijital bilginin en küçük birimidir.

Kuantum bilgisayarları ise aynı anda hem sıfır hem bir durumunda olabilir; bu durum süperpozisyon olarak adlandırılır ve kuantum bilgisayarının klasik bilgisayarlarımız için yönetilemez problemleri çözme vaadinin temelini oluşturur.

Mevcut birçok kuantum bilgisayarı süperiletken elektronik sistemlere dayanır, burada elektronlar son derece düşük sıcaklıklarda direnç olmadan akar. Bu sistemlerde, elektronların kuantum mekaniği doğası rezonatörler aracılığıyla akarken süperiletken kuantum bitleri oluşur.

Bu kuantum bitleri, hesaplama için gerekli mantıksal işlemleri gerçekleştirmede çok iyidir. Ancak bilgiyi depolamada pek iyi değildir, bu matematiksel tanımlayıcılarla temsil edilir.

Kuantum durumlarının depolama sürelerini artırmak için mühendisler, süperiletken kuantum bitleri için ‘kuantum bellekleri’ inşa etmeye çalışıyorlar.

Caltech’ten bir bilim insanları ekibi, bu kuantum belleklerine hibrit bir yaklaşım benimsemiştir.

Bu yaklaşım sayesinde elektriksel bilgi etkili bir şekilde sese dönüştürüldü. Kuantum bilgisini ses dalgalarına çevirmek için, mini bir akort çatalı gibi çalışan küçük bir cihaz kullandılar.

Bu kuantum durumlarının ömrünü diğer tekniklere göre otuz kat daha uzun uzatmayı sağladı ve ölçeklenebilir, pratik kuantum bilgisayarları için sadece hesaplamak değil aynı zamanda hatırlamak da mümkün hale getiren bir temel oluşturdu.

“Bir kuantum durumuna sahip olduğunuzda, onu hemen bir şey yapmak istemeyebilirsiniz. Mantıksal bir işlem yapmak istediğinizde ona geri dönmenin bir yoluna ihtiyacınız var. Bunun için bir kuantum belleğine ihtiyacınız var.”

– Mohammad Mirhosseini, Caltech’te elektrik mühendisliği ve uygulamalı fizik yardımcı doçenti

Ulusal Bilim Vakfı ve Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi’nin finansmanı ile desteklenen çalışma, Caltech lisansüstü öğrencileri Alkim Bozkurt ve Omid Golami tarafından yürütülmüş ve yayınlanmıştır¹ Nature Physics dergisinde.

Çip üzerinde bir süperiletken kuantum bitinin üretim sürecini detaylandırdı; bu kuantum biti daha sonra mekanik osilatör olarak adlandırılan küçük bir cihaza bağlandı.

Mekanik osilatör, salınımlı hareket gösteren bir sistemdir. Temelde bir mini akort çatalıdır, bu çalışmada esnek plakalar içerir. Bu plakalar gigahertz (GHz) frekanslarında ses dalgalarıyla titreştirilir.

Ekip, bu esnek plakalar üzerine bir elektrik yükü yerleştirdiğinde, kuantum bilgisi taşıyan elektrik sinyalleriyle etkileşime girebilir ve bilgiyi bir ‘bellek’ olarak cihaza aktararak daha sonra dışarıya aktarabilir ya da ‘hatırlayabilir’ler.

Araştırmacılar, bilgi cihaza girdikten sonra osilatörün kuantum içeriğini ne kadar sürede kaybettiğini ölçtüler.

“Görünüşe göre bu osilatörlerin ömrü, mevcut en iyi süperiletken kuantum bitlerinden yaklaşık 30 kat daha uzun.”

– Mirhosseini

Bu kuantum bellek inşa yöntemi, diğer tekniklere göre çeşitli avantajlara sahiptir. Örneğin, akustik dalgalar elektromanyetik dalgalardan çok daha yavaş hareket eder, bu da daha kompakt cihazların mümkün olmasını sağlar.

Elektromanyetik (EM) dalgalar, uzayda enerji taşıyan salınımlı elektrik ve manyetik alanların enine dalgalarıdır. Yüklü parçacıkların ivmesiyle üretilir ve radyo dalgaları, mikrodalgalar, kızılötesi, görünür ışık, ultraviyole, X-ışınları ve gama ışınları gibi bir spektrumu kapsar.

Swipe to scroll →

Tüm EM dalgaları vakumda ışık hızıyla hareket eder ve yayılmak için bir ortam gerektirmez.

Öte yandan, akustik dalgalar ses dalgaları gibi mekanik dalgalardır; enerji bir ortam (katı, sıvı veya gaz) üzerinden, ortamın parçacıklarını titreştirerek, sıkıştırarak ve genişleterek iletir. Bu dalgalar frekans, genlik ve dalga boyu gibi özelliklerle karakterizedir. Akustik dalgalar, infrasound ve ultrason dahil olmak üzere bir dizi frekansı kapsar.

Mekanik titreşimler, EM dalgalarının aksine, boş uzayda yayılmadığından, enerji sistemden sızmaz ve bir ortam içinde daha güçlü bir şekilde hapsolabilir; bu da depolama sürelerinin uzamasını ve yakın cihazlar arasındaki istenmeyen enerji alışverişinin azaltılmasını sağlar.

Bu faydalar, birçok böyle akort çatalının tek bir çipte bulunma olanaklarını sunar ve ölçeklenebilir bir kuantum bellek yolu sağlar.

Mirhosseini’ye göre çalışma, akustik ve elektromanyetik dalgalar arasındaki minimum etkileşimi gösteriyor; bu, hibrit sistemin bir bellek elemanı olarak değerini araştırmak için gerekli bir durumdur.

“Bu platformun kuantum bilgisayarları için gerçekten faydalı olabilmesi için, kuantum verilerini sisteme koyup çok daha hızlı bir şekilde çıkarabilmeniz gerekir. Bu da mevcut sistemimizin kapasitesinin üç ila on katı kadar etkileşim oranını artırmanın yollarını bulmamız gerektiği anlamına geliyor,” dedi Mirhosseini. “Ve ekip bu hedefe ulaşmak için fikirleri var.”

Kuantum Donanımı ve Yazılımı: Ticari Kullanıma Giden Yol

Caltech bilim insanları tarafından oluşturulan yeni cihaz bir süredir geliştirilmekte.

Birkaç yıl önce, önceki çalışmalarında ekipgösterdi ki ses, özellikle fononların, ki bunlar titreşim parçacıklarıdır; tıpkı fotonların olduğu gibi, kuantum bilgisayarında bilgi depolamanın kolay bir yolunu sağlayabilir.

O dönemde, Mirhosseini’nin grubu gösterdi laboratuvarda yeni yöntemi; fononları, bu mekanik dalgaları depolamak için küçük cihazlar inşa etmenin göreceli kolaylığı nedeniyle araştırdılar.

Ekip, süperiletken kuantum bitleriyle eşleştirilmeye uygun görünen cihazları, aynı çok yüksek GHz frekanslarında çalıştıkları için deneylerde test etti.

İnsanlar hertz ila kilohertz aralığında (yaklaşık 20 kHz’e kadar) duyar, oysa cihazlar gigahertz (saniyede milyarlarca döngü) frekansında çalışır—frekans olarak yaklaşık 50 000 kat daha yüksek.

Test edilen cihazlar ayrıca uzun ömürlüydü ve süperiletken kuantum bitleriyle kuantum durumlarını korumak için gerekli düşük sıcaklıklarda iyi performans gösterdi.

Mirhosseini o dönemde belirtti ki, diğer çalışmalar piezoelektriklere, yani kuantum uygulamalarında mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmenin özel bir yolu olan malzemelere baktı. O, şunu ekledi:

“Bu malzemeler, ancak, elektrik ve ses dalgaları için enerji kaybına neden olma eğilimindedir ve kayıp kuantum dünyasında büyük bir öldürücüdür.”

Caltech ekibi tarafından geliştirilen yeni teknik, belirli malzemelerin özelliklerine dayanmaz ve bu nedenle mevcut mikrodalga tabanlı kuantum cihazlarıyla uyumludur.

Kompakt boyutta etkili depolama cihazları inşa etmek, kuantum uygulamalarını araştıranlar için bir başka zorluktur.

Bu zorluk yeni yöntemle de ele alınmıştır; bu yöntem, “elektrik devrelerinden kuantum bilgisini diğer kompakt mekanik cihazlardan iki kat daha uzun süre depolamayı sağlar,” dedi Mirhosseini grubunun lisansüstü öğrencisi ve çalışmanın baş yazarı Bozkurt.

Caltech’in ses dalgası platformu umut verici olsa da, dünya çapında birçok kurumda yürütülen çok daha büyük bir araştırma çabasının sadece bir parçasıdır. Bilim insanları, kuantum bilgisayarlarının zorluklarını aşmak için çeşitli yöntemler deniyor.

Örneğin, Güney Kaliforniya Üniversitesi’nden araştırmacılar matematiğe yöneldiler².

Neglektonları, topolojik kuantum bitleriyle ilgili bazı problemleri çözmek için kullanıyorlar. Bu teorik parçacık sınıfı, göz ardı edilen teorik matematikten türetilmiş olmaları nedeniyle bu şekilde adlandırılmıştır ve evrensel topolojik kuantum bilgisayarların deneysel olarak gerçekleştirilmesi için yeni bir yol açabilir.

“Amacım, diğer araştırmacılara non-semisimple çerçevenin sadece geçerli değil, aynı zamanda kuantum teorisini daha iyi anlamak için heyecan verici bir yaklaşım olduğunu mümkün olduğunca ikna edici bir şekilde göstermek.”

– Ortak yazar Aaron Lauda

Bu arada, başka bir yaklaşımla, bilim insanları kuantum noktalarından yayılan ışığı kontrol ediyor; bu, daha ucuz, daha hızlı ve elbette daha pratik kuantum teknolojilerine yol açabilir.

Bunun için, araştırma iş birliği yeni bir yöntem buldu³ ki bu, uyarılmış iki-foton uyarımına dayanıyor ve kuantum noktalarının elektronik anahtarlama donanımına ihtiyaç duymadan farklı polarizasyon durumlarında foton akışları yaymasını sağlıyor. Testlerde, araştırmacılar mükemmel iki-foton durumları üretmeyi başardılar ve tek foton özelliklerini korudular.

“Bu yaklaşımı özellikle zarif kılan şey, tek foton yayılımından sonra pahalı ve kayıplara yol açan elektronik bileşenlerden karmaşıklığı optik uyarım aşamasına taşıdık ve bu, kuantum nokta kaynaklarını gerçek dünya uygulamaları için daha pratik hâle getirmede önemli bir adım.”

– Baş araştırmacı, Vikas Remesh

Daha sonra, Illinois Urbana-Champaign Üniversitesi’ndeki Grainger Mühendislik Fakültesi ekibi, süperiletken kuantum işlemcileri için ~%99 doğruluk oranına sahip yüksek performanslı modüler bir tasarım sundu.

Modüler mimari, kısıtlayıcı monolitik tasarımların aksine, daha büyük ölçeklenebilirlik, daha kolay iyileştirmeler ve tutarsızlıklara karşı dayanıklılık sunar.

Çoğu çaba açıkça kuantum bilgisayarlarının donanım kısmına odaklanmaya devam ederken, teknoloji ticari olarak uygulanabilirliğin eşiğinde olduğuna inanıldığı için yazılıma doğru bir kayma görülüyor ve bu da onlarla yapılacak faydalı bir şeylerin gerektiği anlamına geliyor.

Bu bağlamda, kuantum algoritma şirketi Phasecraft, Danimarka ilaç devi Novo Nordisk ile bağlantılı yatırım şirketi dahil olmak üzere çeşitli destekçilerden 34 milyon dolar topladı.

Phasecraft’in algoritmaları, CEO’su Ashley Montanaro, “önümüzdeki baharda” “bilimsel olarak önemli” hesaplamaları çalıştırabileceklerini ve bazı ticari faydalı uygulamaların “önümüzdeki birkaç yıl içinde” mevcut olabileceğini düşünüyor.

Şimdi algoritmalara yönelik artan bir ilgi var. Yakın zamanda Google’da bir araştırmacı, Shor algoritmasını çalıştırmak için gereken kuantum bilgisayar ölçeğini 20 kat azaltan bir yöntem geliştirdiğini iddia etti; bu, günümüzün en yaygın şifreleme biçimlerini kırmak için kullanılabilir.

Buna yanıt olarak, geliştirici Hunter Beast, Bitcoin (BTC)’i kuantum bilgisayarına dirençli hâle getirmeye çalışarak BIP 360’ı tanıttı.

Bu arada, kuantum bilgisayar şirketi Norma, NVIDIA (NVDA ) CUDA-Q kullanarak ilaç geliştirme için kuantum AI algoritmalarının performansını doğruladı ve hesaplama hızlarının yaklaşık 73 kat daha hızlı olduğunu gözlemledi.

Kuantum Bilgisayarına Yatırım

Birçok büyük isim, süperiletken kuantum bilgisayarları araştırması yapıyor; bu şirketler arasında IBM (IBM ), Intel (INTC ), ve daha fazlası bulunuyor. Ancak bugün, Honeywell International (HON )‘a bakacağız; bu şirket, çoğunluk hissesi Quantinuum aracılığıyla kuantum bilgisayarına yoğun bir şekilde dahil olmuştur.

Quantinuum, Bir Honeywell International (HON ) Şirketi

Quantinuum, 2021’de Cambridge Quantum ve Honeywell Quantum Solutions</