Düşünün ki yalnızca kapı komşunuzla iletişim kurabiliyorsunuz; karşı binadaki arkadaşınıza ileteceğiniz ufak bir mesajın bile kapı kapı dolaşması gerekiyor.
İşte, çok daha düşük maliyetli ve geniş kapsamlı kullanım potansiyeli sunan silikon kuantum bilgisayarlarında donanımlar bugüne kadar bu şekilde çalışıyordu. Ancak Princeton Üniversitesinden bir ekip, bu sınırlamayı ortadan kaldıran bir çalışmaya imza attı. Böylece bir yonga içinde birbirinden (görece) uzak yerleştirilmiş olan silikon “spin” kübitler (yani kuantum işlem bileşenleri) arasında uzaktan etkileşim sağlanmış oldu.
Araştırmayı yürüten ekibin başında, üniversitenin fizik profesörlerinden Jason Petta bulunuyor. Petta, “bir silikon çip üzerinde bu mesafeden mesaj iletimi yapabilmek, kuantum donanımları açısından yeni olanaklar anlamına gelir” diyor: “Nihai amaç, çok daha karmaşık işlemleri gerçekleştirebilmek için birden fazla kuantum bitini (kübiti) iki boyutlu bir ızgara üzerine dizebilmek. Uzun dönemde bu çalışma, hem bir çip üzerinde bulunan kübitler arasındaki iletişimi, hem de iki kübit arasındaki bilgi akışını daha verimli hale getirmeye yardımcı olabilir”.
Kuantum bilgisayarları, günümüzde kullandığımız cihazların çok ötesinde yeteneklere ve potansiyele sahip; çok büyük sayıların üslerini kısa sürede hesaplamak gibi. Bir kuantum biti, ya da kübit, klasik bilgisayarın kullandığı bitlere göre çok daha fazla bilgi işleyebiliyor; çünkü bir bit yalnızca 0 veya 1 değerlerinden birini alabilirken kübitler 0 ve 1 arasındaki birçok değeri, hem de aynı anda, temsil edebiliyor.
Ancak bu bilgisayarların gücünden yararlanabilmek için on binlerce kübitin birbirleri ile iletişim kurması gerekli. Google, IBM, Intel ve diğer firmaların mevcut prototipleri, süper-iletken devreler kullanan bir teknoloji ile üretilmiş kübitlerle çalışıyor. Ancak teknoloji konusunda ileriyi görenler, uzun vadede silikon tabanlı kübitlerin daha verimli olacağını düşünüyor. Silikon spin kübitler, süper-iletken kübitlere göre bazı açılardan daha avantajlı. Örneğin, kuantum durumlarını (kuantum özelliklerini) diğerlerinden daha uzun süre koruyabiliyorlar. Ayrıca günümüz bilgisayarlarında zaten silikon kullanılıyor olması, düşük üretim maliyetini garantiliyor.
Silikon tabanlı kübitlerin üretiminde yaşanan en büyük zorluk, bunların çok ufak olması ve tek bir elektrondan üretilmesi. Dolayısıyla kübitler arasında yapılacak kablolama (ya da herhangi bir donanımsal bağlantı), çözülmesi gereken en önemli sorunlardan biri. Bu nedenle Jason Petta’nın ekibi spin kübitlerin uzak mesafeden bağlantı kurabildiklerini ispatlayarak bu alanda büyük bir adım atmış oldu.
Bunu gerçekleştirmek için Princeton ekibi (tıpkı fiber-optik kabloların internet sinyali taşıdığı gibi), ışık taşıyan “kablolar” ile kübitleri birbirine bağladı. Ancak bu durumda kablo aslında tek bir ışık parçacığı, yani bir foton taşıyan ve mesajı bir kübitten yandaki kübite aktaran bir girintiden ibaret. Çalışmada iki kübit birbirinden yaklaşık yarım santimetre uzaklıkta konumlandırıldı (gerçekte bu aralık ancak bir pirinç tanesinin sığabileceği kadar olsa da; bu kübitleri binalar olarak düşünseydik, iki kübit arasında 1200 kilometre mesafe olacaktı. Yani bahsi geçen mesafe, kübitler söz konusu olduğunda hayli uzak). Bir sonraki adımda ise kübitlerin ve fotonun “aynı dili konuşması” için üç unsurun titreşimi de aynı frekansa ayarlandı. Ekip, aradaki foton bağlantısını koruyarak her iki kübiti birbirinden bağımsız olarak ayarlayabildi. Daha önceki çalışmada cihazın mimarisi yalnızca bir kübitin foton ile bağlantı kurabilmesine olanak tanıyordu.
Makalenin birinci yazarı olan yüksek lisans öğrencisi Felix Borjans, “Yonganın her iki tarafında kübitlerin enerjilerini foton enerjisi ile dengeleyerek üç unsurun da birbiri ile konuşabilmesini sağlamanız gerekli” diyor: “İşin gerçekten en zor kısmı da bu oldu”. Her kübit, “çift kuantum nokta” (DQD) adı verilen ufak bir odacığın içine hapsedilmiş tek bir elektrondan oluşuyor. Elektronların kuantum özelliklerinden biri olan “spin”, -tıpkı bir pusula iğnesinin kuzey veya güneyi göstermesi gibi-, yukarı (kendi ekseninde saat yönünde) veya aşağı (saat yönünün tersine) dönmesi anlamına geliyor. Araştırmacılar elektronu bir mikrodalga alana maruz bırakarak kübite 1 veya 0 kuantum değeri atayabiliyorlar. Araştırmacılara göre bu spinlerin içinde bulunduğu cihazlardan çok daha büyük mesafelerle ayrılmış silikon bileşenler arasında gerçekleşmiş ilk dolanıklık. Zira kısa süre öncesine kadar bunun mümkün olup olmadığı bile tartışılıyordu; çünkü spinleri mikrodalga ile bağlamak için, silikon tabanlı cihazlarda gürültü sinyallerinin neden olduğu etkileri engellemek gerekiyordu. Çalışma, silikon kübitler arasındaki bağlantıların esneklik sınırları ve gelecekteki kuantum mikroçiplerin geometrik yerleşimleri açısından önemli olasılıklar ortaya koyuyor.Petta’nın ekibi, kübitler ve fotonlar arasında bilgi aktarımı konusunda 2010 yılından bu yana önemli gelişmelere imza attı: 2010 yılındaki çalışmada ekip, tek bir elektronu bir kuantum kuyusuna hapsetmenin mümkün olduğunu kanıtlamıştı. 2012 yılında yayımladıkları çalışmada kuantum bilginin elektron spinlerden nano-kablolar aracılığı ile mikrodalga frekanslı fotonlara aktarılabildiğini, 2016’da ise silikon tabanlı bir yüklü kübitte bulunan bilgiyi fotona aktarabildiklerini gösterdiler. 2017’de Science’da yayımlanan makalede ekip, kübitlerde en yakın komşu ile bilgi alışverişi yapıldığını gösterdi. 2018 yılında ise silikon spin kübitlerin foton ile bilgi alışverişinde bulunabildiğini kanıtladı.
Stanford Üniversitesi Elektrik mühendisliği bölümü profesörlerinden Jelena Vuckovic bu çalışmada yer almamasına rağmen; “Uzak mesafeler arası kübit etkileşimi, modüler kuantum bilgisayarları ve kuantum ağları gibi kuantum teknolojileri açısından son derece yaşamsal bir gelişme. Jason Petta ve ekibinin imzasını taşıyan heyecan verici sonuçlar da, 4 milimetreden daha uzak mesafedeki iki elektron spini arasında gerçekleşen iletişimi gösterdiği için, bu amaç doğrultusunda önemli bir kilometre taşı niteliğinde. Ayrıca bu kuantum devresini meydana getirmek için ekip, silikon ve germanyum kullandı; bu materyaller yarıiletken endüstrisinde son derece yaygın olarak üretilmekte” diyor.
