Kuantum Rekoru


Raşit Gürdilek

Uluslararası bir bilimciler ekibi, normalde son derece dayanıksız bir kuantum durumunu oda sıcaklığında 39 dakika koruyarak, gelecek için büyük umutlar bağlanan kuamtum bilgisayarların gerçeğe aktarılması yolunda büyük bir hamleye imza attı.

Kuantum bilgisayarlar, potansiyel olarak devasa süper bilgisayarların yıllarını alacak hesapları saniyeler içinde yapabileceklerinden, fizikçilerin ve bilişimcilerin geliştirmek için yoğun çaba harcadıkları araçlar. Adlarını ve potansiyellerini kuantum fiziğinin, klasik fizik kurallarının yönetimindeki makroskopik dünyanın koşullarına göre şartlanmış  mantığımıza  ters gelen özelliklerinden birine borçlular: Bir parçacığın aynı anda farklı yerlerde olabilme özelliği. Sıradan bilgisayarlarda veriler, “bit” denen ve 1 ve 0 sayılarından oluşan diziler halinde depolanıyor. Kuantum bilgisayar modellemelerindeyse veriler, aynı anda hem 1 hem de 0 olabilen ve (kuantum bitten kısaltılarak) “kubit” diye adlandırılan üstüste binmiş kuantum durumları halinde depolanıyor.  Ancak, çok basit birkaç işlemi yapılabilen deneysel modellerinin geliştirilmiş olmasına karşın kuantum bilgisayarların pratik kullanıma girmelerinin karşısındaki en büyük engel, kubitlerin son derece kırılgan kuantum durumları olmaları ve şimdiye kadar ancak mutlak sıfıra (-273⁰C) yakın sıcaklıklarda çok kısa sürelerle durumlarını koruyabilmeleri.  Yeni rekora kadar kubitlerin bozunmaya başlamadan ayakta kalabildikleri en uzun süre iki saniye olmuştu.

Gerçekleştirilen deneyde araştırmacılar, bilginin silikon içine gömülü fosfor atomlarının çekirdeklerinde kodlanmış  olduğu bir sistemin sıcaklığını -269⁰C’den, 25⁰C’ye kadar yükselterek çekirdeklerdeki üstüste binme durumunun (aynı anda farklı kuantum durumlarında olabilme) 39 dakika süreyle korumayı başardılar. Deneyde ayrıca sıcaklık adım adım yükselirken kubitlerle işlem yapılabildiğini, ve bunların tekrar “dondurulabilecek” kadar  sağlam olduğunu gösterdiler (Halen kubitlerin okunabilmesi için kullanılan optik teknoloji ancak çok düşük sıcaklıklarda çalışıyor.) Araştırmacılar, 39 dakikanın ilk bakışta kısa bir süre olarak görünebileceğini; ancak, kuantum hesaplama için gerekli şekilde bir fosfor iyonunun (elektronların tümünü ya da bir kısmını yitirerek elektrik yükü kazanmış atom)  çekirdeğindeki içsel spini tersine çevirmek için gereken süre yalnızca saniyenin yüz binde biri olduğundan, teorik olarak üstsüste binme durumunun yüzde bir oranında bozulacağı süre içinde 20 milyon işlem yapmak mümkün. Spin (dönme) atom çekirdeklerinde bulunan ve manyetik bir alan içinde bir çubuk mıknatıs gibi davranan bir kuantum mekaniksel özellik.

Bulgularını Science dergisinin 14 Kasım 2013 tarihli sayısında yayımlayan ekipte yer alan Oxford Üniversitesi  malzeme bilimcisi Stephanie Simmons “Böylesine sağlam ve uzun ömürlü kubitler, bir kuantum bilgisayar yapmak isteyen birinin çok işine yarayacaktır” diyor.

Ekip deneye, içine fosfor dahil başka elementler karıştırılmış bir parça silikonla başlamış. Kuantum bilgi, fosfor atomlarının çekirdeklerinde kodlanmış. Bu çekirdeklerin spinleri (0) anlamına gelecek şekilde yukarıya, (1) anlamına gelmeküzere aşağıya, ya da spinlerin (dolayısıyla kuantum durumlarının) üst üste bindiğine işaret eden aradaki herhangi bir açıya çevrilebiliyor. Araştırmacılar deneye mutlak sıfırın yalnızca dört derec e üzerinde (-269⁰C) sıcaklıkla başlayıp içinde 10 milyar kadar fosfor atomunun da bulunduğu örneği bir manyetik alana yerleştirmişler. Çekirdek spininin yönünü değiştirip üstüste binen durumlar oluşturmak için ek manyetik alanlar kullanılmış. Örnek -269⁰C sıcaklıktayken, çekirdek spinlerinin yüzde 37’si üstüste durumlarını üç saat süreyle korumuşlar. Bu oran, kuantum hesaplama için gereken düzenlilik durumu için tipik bir gösterge olarak kabul ediliyor. Sıcaklık 25⁰C’ye yükseltildiğinde de aynı oran 39 dakika süreylekorunmuş.

Simmons, kubitlerdeki yüksek performansa karşın daha alınması gereken epey yol olduğunun altını çiziyor. Deneyde 10 milyar kadar fosfor iyonunun spinleri aynı kuantum durumuna  sokulmuş. Oysa geniş ölçekli kuantum hesaplamalar için, farklı kubitlerin farklı kuantum durumlarına sokulup kontrollü biçimde birbirleriyle “konıuşabilmelerinin” sağlanması gerekiyor. 

KAYNAKLAR

  • 1. “Quantum world record smashed”, Oxford University, 14 Kasım 2013