btbilgi

Normalde ışık parçacıkları (yani fotonlar) birbirileri ile etkileşimde bulunmazlar. İki foton bir vakumda çarpışırsa, basitçe birbirlerinin içinden geçerler. Fotonları etkileşime sokmanın ve kuantum bilgisayar üretiminde kullanmanın etkili bir yolu bulunsa, belli hesaplama türlerinde çok büyük miktarda hızlanma söz konusu olabilir. Son yıllarda fizikçiler nadir elementlerin atomlarını ancak çok düşük sıcaklıklara indirerek foton-foton etkileşimlerini başarabilmiş durumdalar.

MIT (Massachusetts Institute of Technology) araştırmacıları, oda sıcaklığında foton-foton etkileşimlerinin oluşturulması için özel desenleri olan silikon kristalinin kullanıldığı yeni bir tekniği geliştirmişler. Fizik dilinde, kristaller optik bir sinyal iletimine “sapmalar” getirir. Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri profesörü Dirk Englund, “Atom veya atom benzeri parçacıklarla uğraşan yaklaşımların tümü, düşük sıcaklıklara ve dar frekans bandında çalışmaya ihtiyaç duyuyor. Çevre koşullarında, oda sıcaklığında tek foton düzeyinde sapmalar gerçekleştirebilmek için çözümler bulmak çok zor bir şeydir” diyor.

Kuantum bilgisayar bir kuantum parçacığının aynı anda iki çelişkili halde bulunduğu, “süperpozisyon” adlı garip bir fiziksel özelliği kullanmakta. Örneğin bir elektronun dönüşü (manyetik yönelimi) aynı anda hem yukarı hem de aşağı olabilir. Bir fotonun kutuplaşması hem dikey hem de yatay olabilir. Çoğu deneysel kubit (quantum bit) titreşen manyetik alanlarda, süper iletken devrelerde ya da Englund’un elmas kristal yapısında olduğu gibi sıkışan iyonları kullanır. Tüm bu teknolojiler ile süperpozisyonları korumak zordur.

Fotonlar çevreyle etkileşimlere çok duyarlı olmadıklarından, süperpozisyonları korumakta harikadırlar. Ancak aynı nedenle kontrol edilmeleri zordur. Ve kuantum hesaplama, kubitlere kontrol sinyalleri gönderilebilme yeteneğine bağlıdır. İşte burası MIT araştırmacılarının yeni çalışmasının araya girdiği yer. Geliştirdikleri cihaza tek bir foton girerse engellenmeden geçecektir. Fakat eğer doğru quantum durumundaki iki foton cihaza girmeye çalışırsa, bunlar geri yansıtılacaktır.

Fotonlardan birinin kuantum hali, öbürünün kuantum durumunun kontrol edilmesi için kullanılıyor gibi düşünülebilir. Ve kuantum bilgi teorisi, evrensel bir kuantum bilgisayar oluşturmak için gerekli olan şeyin, bu tür basit “kuantum kapıları” olduğunu kanıtlamıştır.

Kuantum bilgisayar tasarımında yeni teknoloji: Foton-foton etkileşimi
Kaynak: Massacusets Institute of Technology

Cihaz nasıl çalışıyor?

Araştırmacıların cihazı uzun, dar ve dikdörtgen şeklinde bir silikon kristal içermekte. Üzerine de düzenli aralıklar ile delikler oyulmuş. Delikler dikdörtgenin uçlarında geniş, ortalarına doğru dardır. İki orta deliği birleştiren dar bir kanal mevcut ve merkezin iki yanında keskin merkezli iki uç var. Deliklerin deseni cihazda ışığı geçici olarak yakalar ve keskin merkezli uçlar sıkışan ışığın elektrik alanını yoğunlaştırır.

Araştırmacılar bu aygıtın prototipini yaptılar ve hem ışığı yakaladığını, hem de ışığın elektrik alanını teorik modellere uygun şekilde sıkıştırdığını ispatladılar. Ancak cihazı bir kuantum geçidine çevirmek başka bir bileşene ihtiyaç duyar: Keskin uçlar arasında sıkıştırılmış dielektrik. Bir dielektrik, normalde elektriksel açıdan yalıtkan fakat kutuplaşabilen bir maddedir. Tüm pozitif ve negatif yükleri bir elektrik alana maruz bırakıldığında, aynı yönde hizalanacaktır.

Bir ışık dalgası dielektriğin yakınından geçtiğinde, ışığın elektrik alanı dielektrik atomlarının elektronlarını biraz yerinden oynatır. Elektronlar yerlerine geri geldiklerinde sallanırlar. Araştırmacıların sistemininde kullanılan doğrusal olmayan şey budur. Cihazdaki deliklerin boyutu ve aralığı, belirli bir ışık frekansına ve cihazın “rezonans frekansı”na göre ayarlanır. Ancak dielektriklerin elektronlarının doğrusal olmayan titremesi bu frekansı değiştirmelidir.

Normal koşullarda bu değişim gözle görülemeyecek derecede hafiftir. Fakat araştırmacıların cihazındaki keskin uçlara giren fotonlar elektrik alanlarını yoğunlaştırdığı için değişimi de abartıyorlar. Tek bir foton cihazdan geçebilir. Fakat eğer iki foton girmeye kalkışırsa onlar geri püskürtülür.

Pratik kullanım alanları

Englund yeni araştırmanın yakın gelecekte çalışan bir kuantum bilgisayar üretemeyeceğini söylüyor. Çoğu zaman prototipe giren ışık hala dağınık veya emilmiş durumda ve fotonların kuantum halleri bozuk olabiliyor. Fakat başka uygulamalar kısa vadede daha uygun olabilir. Örneğin cihazın bir sürümü, kuantum bilgisi ve iletişimi alanındaki araştırmaları büyük ölçüde kolaylaştıracak güvenilir bir foton kaynağı sağlayabilir.

Raytheon BBN Technologies’deki Kuantum Bilgi İşlem Grubu’nda nanofotonik araştırmacısı olan Mohammad Soltani’nin açıklamasına bakılırsa: “Bu çalışma oldukça dikkat çekici ve eşsizdir çünkü ışık-madde etkileşimi, ışık lokalizasyonu ve nükleer manyetik alanlarda bu kadar küçük bir fotonun, bu kadar uzun süre saklanabileceğini göstermektedir. Kuantum bilgisinin daha önceden cevaplarını veremediği soruları cevaplayabilir. Örneğin, doğrusal olmayan tekli foton kapıları gibi şeyleri sağlayabilir, oda sıcaklığında çalışır, katı haldedir ve yarı iletken imalatıyla uyumludur. Bu çalışma, pratik cihazlarda en umut verenler arasında yer alıyor.”

Araştırmanın sonuçları ‘Physical Review Letters’ jurnalinde bir bilimsel makale olarak yer almaktadır.

Yorumlar
btbilgi
PAYLAŞ
blank
xTRlarge, Türkiye'nin (TR) üretici ve yenilikçi potansiyelini sergilemek; farklı bakış açılarını, yeni tarzları, x sayıda yeni değeri, girişimi, fikri yansıtmak; teknolojiden doğaya, iş yönetiminden tasarıma, insana dair faaliyetlerin en geniş ufkunu sizlerle mümkün olduğu kadar geniş 'large" paylaşabilmek için yola çıktı. Geleceğe inancı olanlarla birlikte mesafe katetmeyi planlıyor.