Elmastaki küçük kusurlar kuantum bilgisayarlar için yeni kübit adayları sunuyor

ABD Enerji Bakanlığı'na bağlı Princeton Plazma Fiziği Laboratuvarı'nda (PPPL) geliştirilen yeni bir hesaplama tekniği, geleceğin kuantum bilgisayarlarına ve son derece hassas sensörlerine güç verebilecek elmas malzemelerin bulunmasını hızlandırıyor. Yöntem, umut vadeden malzemeleri ayırt etmeyi eskisine göre çok daha kolay hale getiriyor. Çalışma, ACS Central Science dergisinde yayımlandı ve alandaki diğer araştırmacıların da dikkatini çekti.

Kusursuz elmas neden yetmiyor?

Elmas karbon atomlarından oluşur, ancak kuantum sistemler için kusursuz bir kristal tek başına işe yaramaz. Asıl değer, kristal yapıdaki küçük düzensizliklerde saklıdır. Bu kusurlar, bir karbon atomunun yerinde bulunmaması, başka bir elementin karbonun yerini alması ya da iki durumun birlikte görülmesi şeklinde ortaya çıkabilir. Kusurun çevresindeki atomlar, kuantum bilgisayarlarda ve sensörlerde bilgiyi saklayıp işlemeye yarayan temel birim olan kübitleri oluşturabilir.

Sorun, en yararlı kusurları bulmanın zor olmasıydı. Bu kusurların kuantum davranışını doğru biçimde modellemek geleneksel olarak çok büyük bilgi işlem kaynakları gerektiriyor. Bu da çok sayıda adayı tek tek değerlendirmeyi pratikte güçleştiriyordu.

Kusuru molekül gibi ele alan yöntem

PPPL'de görevli araştırma bilimcisi Mark Martirez, hesapların karmaşıklığını belirgin biçimde azaltan bir yaklaşım geliştirdi. Çok daha büyük bir elmas yapısını simüle etmek yerine, kusurun çevresinden yalnızca 16 ila 30 atomluk küçük bir bölgeyi ayırıyor. Bu minik atom kümesi ayrı bir molekül gibi ele alınınca, kimyagerlerin onlarca yıldır geliştirdiği güçlü hesaplama yöntemleri kullanılabiliyor. Böylece gereken doğruluktan ödün vermeden analiz çok daha verimli hale geliyor.

Martirez, kübitleri molekül olarak ele aldıkları için bu kusurları hesaplamanın maliyetinin basit bir molekülü modellemekle eşdeğer olduğunu söylüyor. Ona göre yöntem, kübitlerin değerlendirilme biçiminde adeta kapıları ardına kadar açtı. Teknik sayesinde farklı kübitlerin lazer ışığına ve mikrodalga darbelerine nasıl yanıt verdiği eskisinden çok daha hızlı hesaplanabiliyor. Ekip bu yolla, yeni tür kübit olabilecek bor ve oksijen içeren kusurları belirledi.

Renk farkı, aynı cihazda farklı kübitler

Araştırmacılar kübitlerin kuantum durumunu değiştirmek ve depolanan bilgiyi okumak için lazer ve mikrodalga darbeleri kullanıyor. Bugüne kadarki çalışmaların büyük bölümü azot-boşluk merkezi denen kusura odaklandı. Bu yapıda bir azot atomu karbonun yerini alıyor, bitişikteki konum ise boş kalıyor. Lazerle aydınlatıldığında, belirli bir kuantum durumundaki bu kusur kırmızı ışık yayabiliyor.

Yeni incelenen kusurların optik özellikleri farklı: oksijen içerenler mavi ışık üretebiliyor, bor içerenler ise mor ötesi ışık yayıyor. Her tür ışığa farklı yanıt verdiği için, tek bir kuantum cihazda birkaç kübit türünü birleştirmek mümkün olabilir. Böylece bir kübit grubuyla etkileşime girerken diğerini rahatsız etmemek mümkün hale gelebilir. Martirez de farklı yanıtlara sahip kübitlerin birleştirilip birinin sondalanıp diğerinin sondalanmayabileceğini düşünebileceklerini belirtiyor.

Arka plan

Kuantum teknolojilerinin en büyük engellerinden biri, kırılgan kuantum durumlarını gerçekçi koşullarda koruyabilen malzemeler bulmak. Birçok aday sistemin güvenilir çalışması için aşırı düşük sıcaklık gerekiyor; bu da soğutma altyapısını pahalı ve karmaşık kılıyor. Elmas bu yüzden öne çıkıyor: bazı kuantum özellikleri oda sıcaklığında bile işe yarar kalabiliyor.

Kübit, klasik bilgisayardaki bitten farklı olarak kuantum fiziğinin kurallarına göre davranır ve bu özellik bazı problemlerin çok daha hızlı çözülmesinin önünü açabilir. Kuantum sensörler ise geleneksel aletlerin ulaşamadığı hassasiyet ve duyarlılık vaat ediyor. Elmastaki kusur merkezleri, bu iki alanda da uzun süredir en çok incelenen platformlar arasında yer alıyor.

Neden önemli?

Bu çalışmanın değeri yalnızca yeni adayları bulmasında değil, aday aramanın yöntemini değiştirmesinde yatıyor. Hesap maliyeti düştüğünde çok sayıda kusur türünü sistematik biçimde taramak mümkün hale geliyor. Bu da deneysel ekiplerin zaman ve kaynak harcayacağı malzemeleri daha bilinçli seçmesine yardımcı olabilir.

Bulgular ayrıca bakış açısında bir kaymaya işaret ediyor. Elmas kübitleri şimdiye dek ağırlıklı olarak fizik perspektifinden incelendi; oysa altta yatan kimyayı anlamak bu kübitleri tasarlamak için ek yollar sunabilir. Yine de ortaya çıkan kusurların gerçek cihazlarda nasıl davranacağı laboratuvar deneyleriyle sınanmak zorunda; hesaplama sonuçları, işleyen bir kuantum bilgisayarın yakın olduğu anlamına gelmiyor.