Kuantum mekaniği, evrenin sırlarını çözen dahi dehanın bile bazı yönlerini tuhaf bulduğu kadar karmaşık bir alan. Albert Einstein'ın "uzaktan gelen ürkütücü etki" olarak tanımladığı kuantum dolanıklık, parçacıklar arasındaki klasik fiziğin açıklayamadığı tuhaf bir bağdır.
Klasik bakış açımızdan, bu durum ışık hızını aşan anlık bir iletişime izin veriyormuş gibi görünebilir ve bu da Einstein'ın tepkisini çekmiştir. Örneğin, kuantum dolanıklıkla bağlı iki parayı havaya atsak ve biri yazı gelse, diğeri de anında tura geleceğini kesin olarak bilirdik; biri Dünya'da diğeri Ay'da atılsa bile.
Bunun nedeni, birini ölçtüğümüzde diğerinin durumunu anında ortaya çıkarmasıdır. Bu, klasik bir açıklaması olmayan bir korelasyondur. Bu ürkütücü senkronizasyon, kuantum hesaplama için bir temel oluşturur ve makine öğrenmesi, ilaç tasarımı, dijital iletişim ve diğer temel uygulamalar için sınırsız potansiyel taşır.
Şimdi ise, Avusturya Teknoloji Enstitüsü (ISTA) ve Almanya Teknik Üniversitesi'nden fizikçiler, 20 yıllık bir dolanıklık teorisini deneysel olarak doğrulayarak bir atılım gerçekleştirdiler. Bu gelişme, kuantum hesaplama süreçlerini ölçeklendirmek için bir prototip sunuyor.
Araştırmacılar, kuantum bilgisayarların işlevsel birimleri olan izole kuantum bitlerini (kübitleri) dolandırmak için "kuantum banyosu" adı verilen bir ışık parçacığı banyosu kullandılar. Kübitler, geleneksel bilgisayarları çalıştıran temel bilgi birimleri olan bitlerin kuantum karşılıklarıdır. Bitler sadece 'açık' veya 'kapalı' bir anahtar gibi iki değer temsil edebilirken, kübitler tıpkı Schrödinger'in kutusundaki kedi gibi, birden fazla durumda aynı anda bulunabilir.
Daha geleneksel dolanıklık yaklaşımları iki yöntem içerir. İlki, iki kübit arasında tek, aktif olarak kontrol edilen bir foton gönderilmesidir. İkincisi ise, Nobel ödüllü bir protokolde, her kübit bir foton yayar ve bu fotonların eşleşmesi gerekir. Ancak bu, sürekli ayarlama gerektirir ve her zaman işe yaramaz.
Bu kuantum banyosu yöntemi, kübitleri düşük enerjili mikrodalgalara maruz bırakarak uzak kübitleri senkronize etmek için tamamen otonom bir yol sunar. Böylece, salınan bir sarkaç gibi özelliklerinde dalgalanan değil, "durağan" ve uygulanabilir bir dolanıklık elde edilir.
Çalışmanın ilk yazarı ve ISTA'da fizikçi olan Alejandro Andrés-Juanes, "Bu çalışmada, hazır mevcut ve pratikte kullanışlı dolanıklık biçimleri arasındaki bu uyumsuzluğu gidermeyi amaçladık" diyor. "Dolanık durumları uzaktan stabilize ederek, yaklaşımımız tamamen otonomdur ve aktif kontrol veya ölçüm gerektirmez."
Önemli olan, bu şemanın "keyfi mesafelere" uygulanabilmesidir. Bu deneyde kübitleri dolanıklık indükleyici fotonlardan ayıran 50 santimetre kablodan daha uzak mesafeler de dahil olmak üzere.
Ek olarak, tek bir korelasyonlu (dolanık) foton kaynağı, birden fazla dolanık çift üretmek için manipüle edilebilir.
Bu araştırma, optik ışık ve mikrodalgalar gibi farklı frekanslardaki fotonların "çok farklı enerji ölçeklerinde çalışan kübitler arasında dolanıklığı stabilize edebildiği" hibrit kuantum sistemleri için de umut vaat ediyor.
Durağan dolanıklık, daha kısa ömürlü ve fırsatçı bir şekilde kullanılmak zorunda kalınan dolanıklıkların aksine, gerektiğinde kullanılabildiği için de aynı derecede önemlidir.
ISTA'da fizikçi ve çalışmanın kıdemli yazarı Johannes Fink, "Bu şekilde, dolanık kübit durumu, kübitlerin kendi 'ömrünün' ötesinde stabilize edilir ve daha fazla kuantum işleme için her zaman bir kaynak olarak kalır," diyor. "Bu, yaklaşımı kavramsal olarak anlamlı kılıyor."
Son olarak, araştırmacılar kübitlerinin gerçekten senkronize olduğunu doğrulayabildiklerini gösterdiler. Bunu, kübitlerinin durumunu ölçmek için saniyenin milyarda biri kadar inanılmaz derecede kısa mikrodalga darbeleri kullanarak yaptılar.
Andrés-Juanes, "Kübitler durumların süperpozisyonunda olabilir, ancak biz onları ölçtüğümüzde bu durumların hepsi çöker ve bize 0 veya 1 durumu kalır" diye ekliyor. Aslında bu, kuantum hesaplamanın temel sorunlarından biridir, çünkü kübitlerin "dekoheransı" onları kuantum davranışlarından ve dolayısıyla hesaplama avantajlarından mahrum bırakır.
Kuantum hesaplamanın ne kadar yaygın ve halk için ne kadar ilgili olacağı belirsiz olsa da, geniş kapsamlı uygulamalara sahip olabilir. Komik kedi GIF'lerine göz atmak için kuantum dizüstü bilgisayarlar kullanmamız pek olası olmasa da, gelişmiş kübit stabilizasyonu kuantum temelli farmasötik gelişmelerine yol açabileceği için hayatlarımızı kurtarabilir.
Veya, klasik seyyah satıcı problemini çözerek ve en verimli rotaları bularak günlük işe gidiş gelişleri ve seyahatleri optimize edebilir.
Son olarak, araştırmacılar başarılı bir kavram kanıtı prototipi geliştirmiş olsalar da, kübit durumlarının aktif kontrolünü kullanan önceki yaklaşımlar daha verimli olmaya devam ediyor.
Andrés-Juanes, "Yöntemimiz şu anda banyonun mevcut dolanıklığının yaklaşık %10'unu aktarıyor" diye açıklıyor. Ancak, bu, daha fazla geliştirilebilecek ölçeklenebilir bir çerçevedir ve potansiyel olarak artırılmış kuantum hesaplama yeteneklerine ve genişletilmiş kuantum ağlarına yol açabilir.
Andrés-Juanes, "Birden fazla uzak kübiti senkronize etmek için ölçeklendirilebilecek nispeten basit bir yöntem sunuyoruz" diye ekliyor. Bu araştırma, Physical Review X'te yayımlandı.
