Bilim insanları, mevcut telekomünikasyon teknolojilerini kullanarak kuantum bilgisayarlarını birbirine bağlamanın önünü açabilecek yeni nesil moleküler bir qubit geliştirdi. Bu gelişme, geleceğin kuantum interneti için sağlam bir temel oluşturuyor.
Yeni qubit, nadir bulunan bir element olan erbiyumu içeriyor. Erbiyumun optik ve manyetik özellikleri, kuantum bilgilerini fiber optik ağlarla aynı dalga boylarında iletmesini sağlıyor. Bu sayede, kuantum verileri mevcut altyapı üzerinden taşınabiliyor.
Araştırmacılara göre, telekom dalga boylarında çalışabilen bu qubit, silikon çiplerle daha kolay entegre edilebiliyor. Bu durum, daha küçük ve daha kompakt kuantum cihazlarının geliştirilmesinin önünü açabilir.
Ekip, bulgularını bilimsel bir dergide yayınladı. Yayımlanan bildiride, bu teknolojinin ultra güvenli iletişim bağlantılarından uzun mesafeli kuantum bilgisayar ağlarına kadar ölçeklenebilir kuantum teknolojileri için umut verici bir yapı taşı olduğu belirtildi. Bu ağlar genel olarak kuantum interneti olarak adlandırılıyor.
Daha önce de kuantum interneti için gerekli teknolojiler üzerine pek çok araştırma yapılmıştı. Hatta geçtiğimiz aylarda gerçek dünya fiber optik kabloları üzerinden kuantum sinyallerini iletmek için yeni bir çip geliştirilmişti. Bu yeni çalışmada ise araştırmacılar, veri iletimine yardımcı olacak yeni bir qubit türü üzerinde odaklandı.
Çalışmanın baş araştırmacısı ve moleküler mühendislik ile fizik profesörü, yaptığı açıklamada, “Bu erbiyum moleküler qubitlerinin çok yönlülüğünü göstererek, günümüzün optik altyapısına doğrudan bağlanabilen ölçeklenebilir kuantum ağları oluşturma yolunda bir adım daha atıyoruz” dedi.
Farklı Bir Qubit Türü
Qubitler, kuantum bilgisayarın temel bilgi birimidir ve klasik bilgisayarlardaki bit'lerin kuantum karşılığıdır. Ancak klasik bitlerin yalnızca 1 veya 0 değerini alabilmesinin aksine, qubitler kuantum fiziğinin tuhaf kurallarına göre davranarak aynı anda birden fazla durumda bulunabilir. Bu özelliğe süperpozisyon denir. Bu sayede, iki qubit aynı anda hem 0-0, hem 0-1, hem 1-0 hem de 1-1 durumunda olabilir.
Genellikle üç tür qubit bulunur: Süperiletken qubitler (küçük elektrik devrelerinden yapılır), tuzaklanmış iyon qubitleri (elektromanyetik alanlarla yerinde tutulan yüklü atomlarda bilgi depolar) ve fotonik qubitler (ışık parçacıklarında kuantum durumlarını kodlar).
Moleküler qubitler ise, kuantum durumlarını belirleyen elektron spinine sahip nadir toprak metalleri etrafında inşa edilen tekil molekülleri kullanır. Bu spin, elektrona küçük bir manyetik alan kazandırır ve bu alanın yönü qubitin değerini belirler. Normal bir bit gibi 1, 0 olabilir, ancak aynı zamanda her iki durumun süperpozisyonunda da bulunabilir.
Yeni, erbiyum bazlı qubiti benzersiz kılan şey, hem spin kubiti hem de fotonik kubiti gibi davranabilmesidir; yani bilgiyi manyetik olarak depolarken, optik sinyaller kullanılarak okunabilir.
Araştırmacılar, yaptıkları bir deneyde, erbiyum atomunun spininin kontrollü bir süperpozisyona yerleştirilebildiğini gösterdi. Atomun yaydığı ışığın dalga boyunu etkileyen bu spin sayesinde, ekip qubitin kuantum durumlarını optik spektroskopi gibi standart tekniklerle okuyabildi.
Makalenin ilk yazarlarından biri ve bir üniversitede doktora araştırmacısı, “Bu moleküller, manyetizma ve optik dünyası arasında nano ölçekli bir köprü görevi görebilir. Bilgi bir molekülün manyetik durumunda kodlanabilir ve ardından optik fiber ağlarının ve silikon fotonik devrelerinin altında yatan iyi geliştirilmiş teknolojilerle uyumlu dalga boylarında ışıkla erişilebilir” dedi.
Uzun Mesafeli Kuantum Veri İletimi
Telekom dalga boylarında çalışmak, sinyallerin minimal kayıpla uzun mesafeler kat edebilmesi anlamına gelir; bu da kuantum verilerinin fiber ağları boyunca iletilmesi için hayati önem taşır.
İkinci avantaj ise, fiber optik dalga boylarındaki ışığın silikon içinden kolayca geçebilmesidir. Eğer geçemeseydi, optik sinyalde kodlanan herhangi bir veri emilir ve kaybolurdu. Araştırmacılara göre, optik sinyalin silikon içinden dedektörlere veya altındaki diğer fotonik bileşenlere geçebilmesi, erbiyum bazlı kubiti çip tabanlı donanımlar için ideal hale getiriyor.
Araştırmacı, e-posta yoluyla yaptığı açıklamada, “Telekomünikasyon dalga boyları, optik fiberlerde seyahat eden ışık için en düşük kayıp oranını sunar. Bu, tek bir fotonun (ışığın tek bir parçacığı) laboratuvarın ötesine güvenilir bir şekilde gönderilmesini istiyorsanız kritik öneme sahiptir” dedi.
Araştırmacı, ölçeklenebilirliğin de bir avantaj olduğunu ekledi. Her bir qubit, insan saçından yaklaşık 100.000 kat daha küçük tek bir molekülden oluşuyor. Moleküler qubitlerin yapısı sentetik kimya yoluyla ayarlanabildiği için, diğerlerinin giremeyeceği ortamlara, katı hal cihazlarına ve hatta canlı hücrelerin içine entegre edilebilir.
Bu kontrol seviyesi, kuantum bilişiminin en büyük mühendislik zorluklarından birini, yani kuantum uyumluluğunu doğrudan mevcut teknolojilere entegre etme sorununu çözmeye yardımcı olabilir.
Araştırmacı, “Entegrasyon, teknolojiyi ölçeklendirmede kilit bir adımdır ve alandaki olağanüstü bir zorluktur. Bu qubitleri çip üstü cihazlara entegre etmek için çalışıyoruz ve bunun molekülleri kontrol etme, tespit etme ve birleştirme konusunda yeni alanlar açacağına inanıyoruz” dedi.
