Bilim insanları, rekor sayıda, tam 6.100 atomu bir kuantum diziliminde senkronize etmeyi başararak kuantum hesaplama alanında önemli bir adım attı. Bu çığır açan araştırma, daha kararlı ve hataya dayanıklı kuantum bilgisayarların geliştirilmesinin önünü açabilir.
Gerçekleştirilen deneyde, kuantum bitleri (kubitler) olarak kullanılan nötr atomlar, kuantum hesaplamaları yapmak için “süperpozisyon” durumunda tutuldu. Bu hedefe ulaşmak için bilim insanları, bir lazer ışınını 12.000 “lazer cımbızına” ayırdı ve bu cımbızlar 6.100 kubiti bir arada tuttu.
Yeni bir bilimsel çalışmada detayları açıklanan bu araştırma, tek bir dizilimdeki atomik kubit sayısı açısından yeni bir rekor kırmakla kalmadı, aynı zamanda “süperpozisyon” tutarlılığının süresini de uzattı. Süperpozisyon tutarlılığı, bir atomun kuantum bilgisayarda hesaplama veya hata kontrolü için ne kadar süreyle aktif kaldığını ifade eder ve bu süre, birkaç saniyeden 12,6 saniyeye çıkarıldı.
Bu çalışma, günümüzün en hızlı süper bilgisayarlarının yeteneklerinin çok ötesinde teknolojik başarılar gösterebilecek büyük ölçekli kuantum bilgisayarların geliştirilmesinde önemli bir kilometre taşını temsil ediyor. Araştırmacılar, bu çalışmanın nötr atom mimarisini kullanan kuantum bilgisayarların geliştirilmesinde kilit bir gelişme olduğunu belirtti.
Bu tür kubitlerin en büyük avantajı, oda sıcaklığında çalışabilmeleridir. En yaygın kullanılan süperiletken metallerden yapılan kubitler ise, sistemleri mutlak sıfıra yakın sıcaklıklara soğutmak için pahalı ve karmaşık ekipmanlar gerektirir.
Kuantum Üstünlüğüne Giden Yol
Faydalı kuantum bilgisayarların geliştirilmesinin milyonlarca kubitlik sistemler gerektireceğine inanılıyor. Bunun nedeni, her bir işlevsel kubitin hata toleransı sağlamak için birden fazla hatası düzeltilmiş kubite ihtiyaç duymasıdır.
Kubitler doğası gereği “gürültülüdür” ve dış etkenlere maruz kaldıklarında kolayca tutarlılıklarını kaybederler. Veri bir kuantum devresi üzerinden aktarılırken, bu tutarsızlık veriyi bozarak potansiyel olarak kullanılamaz hale getirebilir. Bu gürültüyü dengelemek için bilim insanları, kubit genişletme yöntemleriyle birlikte hata toleransı teknikleri geliştirmek zorundadır. Bu durum, kuantum hata düzeltme (QEC) üzerine yoğun araştırmalar yapılmasının ardındaki nedendir.
Günümüzdeki birçok sistem işlevsel olarak kabul edilse de, çoğu bir süper bilgisayara kıyasla kullanışlılık eşiğini karşılamaz. Örneğin, bu alanda faaliyet gösteren bazı büyük teknoloji şirketlerinin geliştirdiği kuantum bilgisayarlar, klasik bilgisayarları başarıyla geride bırakarak “kuantum üstünlüğü” olarak adlandırılan durumu sergilemiştir.
Ancak bu üstünlük, genellikle belirli bir mimarinin yeteneklerini sergilemek üzere tasarlanmış özel hesaplama sorunlarıyla sınırlı kalmış, pratik sorunlara henüz tam olarak uygulanamamıştır. Bilim insanları, kuantum bilgisayarların boyutları büyüdükçe ve kubitlerde meydana gelen hatalar daha iyi yönetildikçe daha kullanışlı hale gelmesini umuyor.
Caltech'te fizik profesörü ve araştırmanın baş araştırmacısı Manuel Endres, konuyla ilgili yaptığı açıklamada, “Nötr atom kuantum hesaplamaları için heyecan verici bir an. Artık büyük, hatası düzeltilmiş kuantum bilgisayarlara giden bir yol görebiliyoruz. Yapı taşları yerinde,” dedi.
Araştırmacılar, kubit diziliminin saf büyüklüğünden daha dikkat çekici olanın, sistemi ölçeklenebilir hale getirmek için kullanılan teknikler olduğunu belirtti. Tutarlılık, süperpozisyon ve dizilim boyutu gibi kilit alanlarda yaklaşık 10 kat iyileştirme yapmak için önceki çabalarını ince ayardan geçirdiler. Önceki çalışmalara kıyasla, %99,98 doğruluk seviyesini koruyarak yüzlerce kubitten tek bir dizilimde 6.000'den fazla kubite ölçeklendiler.
Ayrıca, atomları dizilim boyunca mikrometrelerce hareket ettirerek süperpozisyon kaybı olmadan “taşıma” (shuttling) için yeni bir teknik sergilediler. Araştırmacılar, daha fazla geliştirme ile taşıma kullanımının anlık hata düzeltme için yeni bir boyut sağlayabileceğini belirttiler.
Ekibin bir sonraki adımları, tam kuantum hesaplamalarına yol açacak olan kuantum mekaniği durumunda, yani “dolaşıklık” (entanglement) yoluyla atomları dizilim içinde birbirine bağlamayı içeriyor. Bilim insanları, daha güçlü hata toleransı yöntemleri ve daha doğru hata düzeltme geliştirmek için dolaşıklıktan yararlanmayı umuyor. Bu teknikler, faydalı ve hataya dayanıklı kuantum bilgisayarlara giden yoldaki bir sonraki kilometre taşına ulaşmada kritik öneme sahip olabilir.
