Kuantum bilgisayarların tam potansiyeline ulaşabilmesi için yüksek kaliteli ve birbiriyle uyumlu kuantum bitlerine (qubit) ihtiyaç duyuluyor. Bu qubit'ler daha sonra hata düzeltme yeteneğine sahip mantıksal qubit gruplarına dönüştürülüyor. Şirketler bu hedefe ulaşmak için farklı yaklaşımlar sergilese de, genel olarak iki ana kategori öne çıkıyor: Bazı şirketler, seri üretimle elde edilebilecek elektronik cihazlarda qubit'leri barındırmaya odaklanırken, diğerleri daha tutarlı davranışlar sergileyen atom veya fotonları qubit olarak kullanıyor, ancak bu durum yönetimi zor karmaşık donanımlar gerektiriyor.
Atom veya iyonları kullanan sistemlerin en büyük avantajlarından biri, bu parçacıkların hareket ettirilebilmesidir. Bu sayede, hata düzeltme için büyük esneklik sağlayan herhangi bir qubit ile başka bir qubit arasında dolanıklık (entanglement) kurulabiliyor. Buna karşılık, elektronik cihazlara dayalı sistemler, üretim aşamasında belirlenen sabit bağlantı konfigürasyonlarına mahkum kalıyor.
Ancak bu hafta yayınlanan yeni bir araştırma, her iki dünyanın en iyi özelliklerini bir araya getiren bir gelişmeyi ortaya koyuyor. Bu çalışma, seri olarak üretilebilen ve tek bir elektronun spiniyle bir qubit barındırabilen kuantum noktalarını kullanıyor. Araştırmacılar, bu spin qubit'lerinin kuantum bilgisini kaybetmeden bir kuantum noktasından diğerine taşınabileceğini gösterdi. Bu hareket yeteneği, atom ve iyonlarda görülen esnek qubit etkileşimini mümkün kılabilir.
Kuantum Hesaplamanın Getirdiği Dengeler
Bir kuantum noktasını, bir elektronun davranışını kontrol etmenin bir yolu olarak düşünebiliriz. Fiziksel kuantum noktaları, elektronların dalga boyundan daha küçük bir alana sıkıştırılmasını sağlar. Bu küçük boyutları sayesinde, kompakt bir alana çok sayıda kuantum noktası sığdırmak mümkün hale gelir ve bu noktalar çip üretim süreçlerine entegre edilebilir. Bu da bize bol miktarda kuantum noktası ve bunların davranışlarını kontrol etmek için gereken kapılar (gate) ve diğer cihazlarla donatılmış çipler üretme imkanı tanır.
Bu kuantum noktalarını bir qubit olarak kullanmak için, bu elektronik devreler kullanılarak kuantum noktasına tek bir fazla elektron yüklenir. Elektronların spin adı verilen bir özelliği vardır ve bu spin, qubit'in spin-up veya spin-down durumunda, ya da bu iki durumun bir süperpozisyonunda olmasını sağlayacak şekilde kontrol edilebilir. Elektron tabanlı qubit'ler genellikle oldukça hassas olsa da ve çevrenin elektronları kolayca etkileyebilmesi mümkün olsa da, kuantum noktaları onları çevreden yeterince izole ederek performanslarını artırır.
Herhangi bir üretilmiş çip gibi, kuantum noktalarını birbirine bağlayan kablolama, çip üretimi sırasında sabitlenir. Farklı hata düzeltme şemaları farklı qubit bağlantıları gerektirdiğinden, bu durum üretim aşamasında belirli hata düzeltme şemalarına bağlı kalmamızı zorunlu kılar. Eğer bir çip üretildikten sonra daha iyi bir şema geliştirilirse, bu şemaya geçmek muhtemelen mümkün olmaz. Daha az karmaşık algoritmalar, daha az ek yük gerektiren daha basit hata düzeltme şemalarından faydalanabilir, ancak bu çiplerle şemaları değiştirmek mümkün olmayacaktır.
Bu nedenle, kuantum noktaları, kuantum bilgisayarlarla karşılaştığımız dengeyi temsil ediyor: Bol miktarda kuantum noktası ve onları manipüle etmek için gereken tüm donanımı üretmek bizim için daha kolaydır, ancak diğer qubit türlerinin sunduğu esneklikten yararlanmak gibi görünmüyor.
Bu yeni makalenin temel amacı, bu durumun mutlaka böyle olmadığını göstermektir.
Hareket Eden Noktalar
Bu yeni çalışma, Delft Teknoloji Üniversitesi ve QuTech startup'ı arasındaki iş birliğiyle gerçekleştirildi. Ekip, doğrusal bir kuantum noktası dizisine sahip bir çip geliştirdi ve başlangıçta her iki uçta tek elektron spinleri ile başladı. Ardından, uygun elektrik sinyalleriyle, spinleri bir sonraki noktaya kaydırarak birbirlerine yaklaştırdılar. (Bu kaydırma işlemi, elektronik temel anahtarlamalara kıyasla nispeten yavaş olsa da, bu bağlamda saniyenin kesirleri kadar sürdü.)
Elektronlar yeterince yaklaştığında, spin dalga fonksiyonları örtüştü ve araştırmacıların üzerlerinde iki-qubit kapıları gerçekleştirmesine olanak tanıdı. Bu manipülasyonlar, iki spini dolandırmak için kullanılabilir ve dolayısıyla hata düzeltmeli mantıksal qubit'ler oluşturmak için gereklidir; bu kapılar hesaplamalar yapmak için de gereklidir.
Araştırmacılar daha sonra elektronları başlangıç konumlarına geri taşıyabildiklerini doğruladılar ve ardından yapılan ölçümler spinlerinin dolandığını teyit etti. Kuantum dolanıklık da (teleportation) iki-qubit kapısı gerektirdiğinden, bu sürecin dolanıklık için kullanılabileceğini gösterdiler. Dolanıklık, qubit'ler birbirinden uzaklaştıktan sonra durumları taşımak için kullanılabileceğinden, qubit'lerin hareket ettirilmesiyle sağlanan hareketliliği artırabilir.
(Kuantum dolanıklığın, bir qubit'ten uzak bir diğerine kuantum durumunu aktardığını unutmayın; bu süreçte fiziksel olarak hiçbir nesne hareket etmez.)
Bu, muhtemelen henüz performans için optimize edilmemiş küçük bir test cihazında gerçekleştirildi. Ancak işlemler oldukça makul bir doğrulukla yapıldı. İki-qubit kapıları %99'dan fazla başarıyla uygulandı, dolanıklık ise yaklaşık %87 oranında başarılı oldu. Bu cihazları hesaplama için kullanabilmemiz için bu yüzdelerin her ikisini de artırmamız gerekiyor, ancak çoğu donanım şirketi performansı iyileştirmek için ek fikirler üzerinde çalışıyor.
Kuantum Noktaları Üzerine
Araştırmacılar, bu gelişmenin neleri mümkün kılacağına dair vizyonlarını kısaca ortaya koyuyorlar. Bu sistemde, operasyonlarda kullanılmadıkları zamanlarda qubit'lerin bulunabileceği özel depolama bölgeleri bulunuyor. İhtiyaç duyulduğunda, spinler onları manipüle edilecekleri "etkileşim bölgelerine" götüren yollara yönlendiriliyor; burada dolanıklık ve tek ve iki-qubit kapıları gerçekleşiyor. Bağlayıcılar ise, daha uzun mesafeli etkileşimleri sağlamak için qubit'lerin farklı yollara hareket etmesine olanak tanıyor.
Bu, nötr atomlar ve tuzaklanmış iyonlar için önerilen sistemlere dikkate değer derecede benzeyen bir şema sunuyor. Aynı zamanda, seri üretim ve çok kompakt kontrol donanımının avantajlarını da sağlıyor.
Bununla birlikte, burada kullanılan cihazda sadece altı kuantum noktasından oluşan bir sıra bulunuyordu, bu nedenle bu hedefe ulaşmak uzun bir yol olabilir. Şirketin, performansın karmaşık bir hata düzeltme şemasına güvenebileceğimiz noktaya ulaşması için de kat etmesi gereken bir mesafe var. Bunun nedeni muhtemelen kuantum noktalarının, Google ve IBM gibi şirketlerin kullandığı transmons'lar kadar gelişmişlik düzeyine henüz ulaşamamış olmasıdır. Ancak Intel gibi diğer şirketler de bu alanda çalışıyor, bu da nihayetinde daha fazla iyileştirmenin mümkün olacağını gösteriyor.
Ancak, bu teknolojinin rakip teknolojilere üstünlük sağlayıp sağlamayacağı ise yıllar alacak bir belirleme olacaktır.
