Bilim insanları, bir kuantum bilgisayarın gerçekleştirdiği fonksiyonların kuantum mekaniğinden mi yoksa sadece klasik fiziğin ustaca bir cilvesi mi olduğunu belirlemek için deneysel bir yöntem geliştirdi. Bu çığır açan çalışma, kuantum mekaniği aracılığıyla başarılabilecek hesaplama faaliyetlerini gösteriyor ve onaylıyor.
Araştırmacıların "kuantum yalan makinesi" olarak adlandırdığı bu sistem, kuantum mekaniği için bilinen ünlü bir testin yeniden yorumlanmasıyla ve klasik bir sistemde gerçekleştirilmesi temelden imkansız olacak şekilde tasarlanmış özel bir kuantum bilgisayarın eğitilmesiyle oluşturuldu.
Bilim insanları, programlanabilir 73 kübitlik "petek" şeklinde bir kuantum işlemci kullanarak bu başarıya ulaştı. Bu işlemci, Değişken Kuantum Devre (VQC) adı verilen hibrit bir kuantum-klasik teknikle eğitildi. VQC, klasik bir bilgisayarın kuantum bilgisayarın bir görevi daha yüksek doğrulukla yerine getirmesine iteratif olarak yardımcı olduğu bir makine öğrenmesi döngüsüdür.
Bu özel çalışmada bilgisayarın görevi, klasik fizik yoluyla ulaşılamayacak kadar düşük bir enerji durumuna ulaşmaktı. Bu enerji durumunun doğrulanmasıyla araştırmacılar kuantum mekaniğini kanıtlamış oldu.
Kuantum Mekaniğinin Yasalarına Dokunmak
Kuantum bilgisayarın nihai hedeflerinden biri, bilgisayarların yapabileceklerinin sınırlarını klasik fiziğin izin verdiklerinin ötesine taşımaktır. Telefonlarımız, dizüstü bilgisayarlarımız, kişisel bilgisayarlarımız ve hatta süper bilgisayarlarımız gibi ikili bilgisayarlar, klasik fiziğin temel yasalarıyla sınırlıdır.
Klasik hesaplamada bitler, karmaşık hesaplamaları yapmak için 1'leri ve 0'ları kullanır, ancak hesaplamaları yalnızca sıralı olarak işleyebilirler. Sonuç olarak, makul bir süre içinde başarabileceklerinin bir sınırı vardır.
Kuantum bilgisayarlar ise, klasik bir bitin kuantum eşdeğeri olan kübitleri kullanarak, kuantum dolanıklık gibi kuantum mekaniğinin tuhaf yasalarından faydalanır ve karmaşık hesaplamaları paralel olarak gerçekleştirir. Bir bitin durumu ya açık ya da kapalı (1 veya 0) olarak temsil edilebilirken, bir kübit ölçülene kadar hem açık hem de kapalı durumların bir süperpozisyonunu işgal eder (yani hem o durumda hem de herhangi bir kombinasyonda olabilir).
Kuantum dolanıklık, iki kübitin uzak mesafeden birbirine bağlanması durumunda meydana gelir. Birinin durumunu ölçmek, ilişkili tüm dolanık kübitlerin durumlarını ortaya çıkarır. Klasik fizik yasalarına göre bu, Londra'da yazı tura atmak ve New York'ta eş zamanlı bir atışın sonuçlarını belirlemekle eşdeğer olurdu. Bir sisteme ne kadar çok dolanık kübit eklenirse, hesaplama alanı katlanarak artar.
Yeterli büyüklükte, bir kuantum bilgisayarın teorik hesaplama alanı, ikili bir bilgisayar sistemi için matematiksel olarak çözülemez hale gelir; bu durum "kuantum avantajı" veya "kuantum üstünlüğü" olarak tanımlanır.
Kuantum olguları Çift Yarık Deneyi gibi deneylerle gösterilebilse de, çoklu kübitli bir sistemin gerçekten kuantum mekaniğinden faydalandığını onaylamak zorlu bir görevdir. Ayrıca, bir kuantum sistemindeki kübit sayısı arttıkça bu zorluk katlanarak artar.
Bell Testi ve Uzak Mesafedeki Ürkütücü Etki
Albert Einstein gibi fizikçiler, kuantum olgularının Newton fiziğinin yasalarını hangi eşikte aştığını uzun süredir düşünmüşlerdir. Temel olarak sorun, bir kuantum işlemci için klasik bir açıklama olmaması mı, yoksa henüz birini bulamamış olmamız mı sorusuna indirgenir.
Örneğin dolanıklıkla karşılaştığında Einstein, bunu "uzak mesafedeki ürkütücü etki" olarak adlandırmıştır. Yerel gerçekçiliğe dayanan dünya görüşü, nesnelerin yalnızca yakın çevrelerinden etkilendiği (yerellik) ve özelliklerinin biz ölçmeden önce kesin olarak var olduğu (gerçekçilik) konusunda ısrar ediyordu.
Dolanıklık bu göreceliği bozar. İki parçacık dolanık hale geldiğinde, bir yerellik dışı durumda bulunurlar. Bunu kanıtlamak için bilim insanları, İrlandalı fizikçi John Stewart Bell'in adını taşıyan bir Bell testi gerçekleştirirler. Bu test, dolanık parçacıkları birden fazla, rastgele seçilmiş şekilde ölçmeyi ve istatistiksel sonuçları kontrol etmeyi içerir.
Ölçülen sonuçlar arasındaki korelasyonlar, herhangi bir klasik teorinin asla izin verebileceğinden daha güçlüyse - bu sınıra Bell Eşitsizliği denir - o zaman sistemin yerellik dışı olduğu söylenir.
Bu, "uzak mesafedeki ürkütücü etki"nin gerçek olduğunu ve sadece şans, matematiksel hile veya klasik simülasyonun bir sonucu olmadığını kanıtlar.
Kaba Kuvvet Simülasyonları
Kuantum hesaplamaların gerçekten kuantum doğasında olup olmadığını belirlemedeki temel zorluklardan biri, klasik bilgisayarların belirli bir noktaya kadar kaba kuvvet matematiği kullanarak kuantum durumlarını simüle edebilmesidir. Bu, "arka planda" tam olarak ne olduğunun belirlenmesini zorlaştırır.
Bir kuantum işlemci gerçekleştirildiğinde fizik yasalarının ihlal edildiğine dair herhangi bir kırmızı bayrak veya siren işareti olmadığından, bilim insanlarının arkasındaki temel kuantum mekaniğini gösterecek yollar bulması gerekir.
Bunu başarmak için araştırmacılar, 73 kübitli bir kuantum bilgisayarı kullanarak, onu mümkün olan en düşük enerji durumuna ayarlayıp ardından sistemdeki enerjiyi ölçerek bir deney yürüttüler.
Klasik fizikte ulaşılabilecek en düşük temel durum sıfırdır. Bir tepenin aşağısına yuvarlanan bir topun yüksek, uyarılmış bir enerji durumu vardır. En düşük enerji durumunda, yani temel durumda, top enerjisiz ve hareketsizdir.
Ancak kuantum mekaniği yasaları altında çalışan aynı top, sıfırın altında bir enerji durumuna sahip olabilir. Bu, dolanıklık yoluyla mümkündür. Bir top başka bir topla dolanık ise ve her ikisi de işlevsel olarak zıt enerji durumları aracılığıyla korele ise, biri veya her ikisi de negatif bir enerji durumuna yerleştirilebilir.
Bu, klasik fizik yasaları altında mümkün olmadığından, bu negatif durumun doğrulanması, tanım gereği, sistemi yönlendiren fiziğin gerçekten kuantum olduğunun bir sertifikasıdır.
Doğrulanmış sonuç, 48 standart sapma ile klasik bir sistemin sahip olabileceği mutlak minimum enerji seviyesinin altına düşen çok düşük bir enerjiydi.
Araştırmacılar, çalışmada yazdıklarına göre, daha büyük sistem içindeki 24 kübite kadar olan gruplarda bu yerel olmayan korelasyonları sertifikalandırdılar; bu, bu şekilde bir kerede sertifikalandırılan en yüksek sayıydı.
Bu çalışma, kuantum aktivitesini doğrulama konusunda öncü bir yöntem oluşturuyor, diye eklediler.
Daha fazla geliştirme ile bu teknikler, mühendislerin çeşitli kuantum mimarilerindeki performansı sertifikalandırmasına, kuantum durumlarının ne zaman klasik olanlara "dekoherans" olduğunu anlamasına ve daha da büyük, daha güçlü kuantum bilgisayarlar inşa etmek için temel oluşturmasına yardımcı olabilir.
