Kuantum bilgisayarların geliştirilmesinde birçok farklı teknoloji öncü konumda bulunuyor. Şirketler, onlarca hatta yüzlerce kübitten oluşan makineler inşa etmeyi başardı, hata oranları düşüyor ve artık temel bilimsel sorunlardan ziyade mühendislik zorluklarına odaklanılıyor.
Bu alandaki gelişimin bu kadar ileri bir noktasında bile, hala tamamen yeni kübit teknolojileri geliştiren ve şirketi bu alanda bir çıkış yakalamaya yatıran firmalar var. Yakın zamanda, bu firmalardan biri kübit sistemlerinin fiziğini açıklayan bir makale yayınladı. Bu sistem, sıvı helyum üzerinde yüzen serbest elektronları kullanıyor.
Tek Elektronları Hapsetmek
Peki, bir elektronu helyumun üzerine yüzdürmek nasıl mümkün oluyor? Bu konuyu, bu çalışmayı yürüten şirketin baş bilim insanı Johannes Pollanen ile konuştuk. Pollanen, bu fiziğin aslında yarım asır önce ilk gösterimleri yapılan eski bir fizik olduğunu belirtti.
Pollanen, "Elektron gibi yüklü bir parçacığı yüzeye yaklaştırdığınızda, helyum dielektrik olduğu için, sıvı içinde küçük bir görüntü yükü oluşur" dedi. "Elektron yükünden çok daha zayıf, küçük bir pozitif yük ama orada küçük bir görüntü olacak. Ve sonra elektron, kendi görüntüsüne doğal olarak bağlanacaktır. Sadece o pozitif yükü görecek ve ona doğru hareket etmek isteyecek, ancak buna ulaşamayacak çünkü helyum tamamen kimyasal olarak inert, elektronların gidebileceği serbest boşluklar yok."
Elbette, helyumu sıvı halde elde etmek için son derece düşük sıcaklıklar gereklidir. Ancak helyum, 4 Kelvin'e kadar sıvı halde kalabilir. Bu sıcaklıklar, transmonlar gibi sistemler için gereken aşırı soğutma teknolojilerini gerektirmez. Bu sıcaklıklar aynı zamanda doğal bir vakum da sağlar, çünkü hemen hemen her şey de kabın duvarlarına yoğunlaşacaktır.
Sıvı helyum aynı zamanda viskozitesiz bir süperakışkanlık özelliğine sahiptir. Bu, şirketin deneylerinde kullandığı silikon çiplerin yüzeyine oyulmuş minik kanallardan kolayca akmasına olanak tanır. Çipin yanındaki bir tungsten filaman, helyum yüzeyini, depolama havuzu olarak düşünebileceğiniz bir yerde elektronlarla doldurmak için kullanıldı.
Kanallar daha sonra bunu çip üzerindeki bireysel cihazlara bağlar. Bu cihazların her birinin altında süperiletken bir plaka bulunur. Bu plaka, kontrol elektroniğinin, cihazın yerinde elektronları tutabilen bir elektromanyetik tuzak oluşturmasını sağlar. Bu tuzağın "duvarlarını" indirmek, elektronların depolama havuzundan akmasına ve düzinelerce elektronla tuzağı doldurmasına olanak tanır. Ardından, EeroQ ekibi, tuzağın duvarlarını nazikçe indirerek elektronların yavaşça geri akmasını sağlayabildiğini gösterdi; böylece sadece sıfır, bir veya iki adet hapsedilmiş elektron gibi az sayıda olası durum kaldı. Bu durumları ayırt etmek için, çip, tuzağın yanlarında bir çift elektrot içeriyordu. Bunlar, elektronlarla bir rezonatör oluşturmak ve onları iki elektrot arasında yatay olarak hareket ettirmek için kullanılabilirdi. Elektronların varlığı, bu kurulumun rezonans frekansını etkileyecekti; bu nedenle frekansı izlemek, araştırmacıların bu üç durumu ayırt etmelerini sağladı. Böylece araştırmacılar, tuzağı başarıyla tek bir elektrona kadar boşaltıp, tuzağın duvarlarını tekrar yükselterek onu süresiz olarak orada tutabildiklerini gösterdiler.
Fizikten Kübitlere
Makalenin sonu buraya kadar geliyor. Sıvı helyum yüzeyinde yüzen tek bir elektron, bir kübitin temeli. Ancak makale, "mobil kübit mimarilerini keşfetmek için umut verici bir aday" olarak bunu belirtiyor. Peki, geriye ne kaldı ve EeroQ'daki insanlar neden bunun hızla ölçeklenebileceğini düşünüyor?
Plan, kübitleri elektronların spininde saklamak. Bu, daha önce silikon safsızlıkları ve kuantum noktaları gibi alanlarda test edilmişti. Ancak bu durumlarda, spinin koheransı - yani çevreden izole tutabilme yeteneği - bu malzemelerde karmaşıklaşır, çünkü elektronlar yörüngeleri işgal eder ve/veya karmaşık bir elektronik ortamda hareket eder. Sıvı helyum ve vakum arasında yüzen izole bir elektron için bunların hiçbiri doğru değil. "Elektronun spin koheransı harika olacak" dedi Pollanen. "Söylemeliyim ki, kimse deneysel olarak spin koheransının ne olduğunu bilmiyor, ancak silikondakinden daha kötü olamaz."
Başka bir önemli fayda da, bireysel cihazların standart CMOS teknolojisi kullanılarak üretilebilmesi ve gereken özellikleri oluşturmak için en son yeteneklere ihtiyaç duymaması. Pollanen, "Nispeten eski CMO'larla, oldukça küçük çipler üzerinde on binlerce, yüz binlerce, milyonlarca kübiti barındırabilen ölçekleme mimarileri oluşturulabilir" dedi. Bu çipler, spin durumunu okumak için gereken tüm kontrol devrelerini ve donanımını içerecekti. Ve kompakt kablolama sayesinde, çipler dijital kontrolün bireysel cihazlara kadar uzanmasını sağlayacak, potansiyel olarak kübitler ve dış dünya arasındaki bağlantı ihtiyacını sınırlayacaktı.
Nihayetinde, şirket tek bir tuzak içinde çift elektron kullanarak bilgi depolamayı planlıyor. Pollanen, "Sonuç olarak, bir kübit aslında zıt spinli iki elektronla kodlanacak" dedi. "Elektronları hareket ettirirsek, spin kuantizasyonu için ihtiyacımız olan mıknatıstan dolayı bazı homojen olmayan manyetik alanlar deneyimleyecekler. Ancak zıt spinli iki elektronla bir kübit oluşturursanız, birine olan herhangi bir decoherans diğerinde iptal edilecektir."
Elektronları hareket ettirmek, gelecekteki herhangi bir kuantum işlemcisinde önemli bir rol oynayacağı için bu çok önemlidir. İki çift elektronun birini hareket ettirip etkileşime girmesine izin vererek ve sonra orijinal konumlarına geri döndürerek kübitler dolaştırılabilir. EeroQ ayrıca kübitleri çip içindeki özel operasyon ve ölçüm konumlarına taşımayı planlıyor. Bunların hepsi zorlu gelebilir, ancak Pollanen, daha önceki çalışmaların, uzun bir süre boyunca bir cihaz etrafında tek bir elektronun hareket ettirilerek toplamda bir kilometreden fazla mesafe kat ettiğini gösterdiğini söyledi.
Tüm bu avantajlar, teknolojinin bir sonraki adımlarını atması için yeterli mi? Yani hem çalışan kübitlerin gösterilmesi hem de sayının hızla ölçeklenmesi mümkün mü? Şu anda bunu söylemek imkansız. Ancak arkasındaki fizik oldukça ilginç ve kübitler işe yaramasa bile ilginç bir deneysel sistem olabilir.
