Pratik kuantum bilgisayarlara doğru büyük bir adım atan Princeton mühendisleri, günümüzün en iyi versiyonlarından üç kat daha uzun süre dayanabilen süper iletken bir kubit ürettiler.
Princeton’ın mühendislik dekanı ve baş araştırmacı Andrew Houck, “Bugün bizi kullanışlı kuantum bilgisayarlara sahip olmaktan alıkoyan asıl zorluk, bir kübit oluşturmanız ve bilginin çok uzun sürmemesidir” dedi. “Bu ileriye doğru bir sonraki büyük sıçrama.”
Dergideki bir makalede DoğaPrinceton ekibi yeni kübitlerinin 1 milisaniyeden fazla sürdüğünü bildirdi. Bu, laboratuvar ortamında şimdiye kadar bildirilen en iyi değerden üç kat daha uzundur ve büyük ölçekli işlemciler için endüstri standardından neredeyse 15 kat daha uzundur.
Araştırmacılar, performansını doğrulamak için bu kübiti temel alan, tam işlevli bir kuantum çip inşa ederek, endüstriyel sistemler için verimli hata düzeltme ve ölçeklenebilirliğin önündeki en önemli engellerden birini ortadan kaldırdı.
Araştırmacılara göre yeni kübit tasarımı, Google ve IBM gibi önde gelen şirketlerin halihazırda kullandığı tasarımlara benziyor ve mevcut işlemcilere kolayca yerleştirilebiliyor. Houck, Princeton’ın bileşenlerini Google’ın Willow adlı en iyi kuantum işlemcisiyle değiştirmenin, onun 1000 kat daha iyi çalışmasını sağlayacağını söyledi. Princeton kübitinin faydaları sistem boyutu büyüdükçe katlanarak artıyor, dolayısıyla daha fazla kübit eklemek daha da büyük fayda sağlayacaktır.
Kuantum bilgisayarların geliştirilmesi için daha iyi donanım şarttır
Kuantum bilgisayarlar, geleneksel bilgisayarlarla çözülemeyen sorunları çözme potansiyelini gösterdi. Ancak mevcut sürümler hâlâ geliştirmenin erken aşamalarındadır ve sınırlı kalmaktadır. Bunun temel nedeni, kuantum bilgisayarların temel bileşeni olan kübitin, sistemler yararlı hesaplamalar yapmadan önce arızalanmasıdır.
Tutarlılık süresi olarak adlandırılan kübitin ömrünü uzatmak, kuantum bilgisayarların karmaşık işlemleri gerçekleştirmesini sağlamak için gereklidir. Princeton kübiti, on yıldan fazla bir süredir tutarlılık süresinde kaydedilen en büyük ilerlemeyi işaret ediyor.
Mühendisler kübit geliştirmek için çeşitli teknolojilerin peşindeyken, Princeton versiyonu transmon kübit adı verilen bir devre türüne dayanıyor.
Google ve IBM gibi şirketlerin çalışmalarında kullandığı Transmon kubitleri, son derece düşük sıcaklıklarda çalışan süper iletken devrelerdir. Avantajları arasında dış müdahalelere karşı nispeten yüksek tolerans ve mevcut elektronik üretimiyle uyumluluk yer alıyor.
Ancak transmon kübitlerin tutarlılık süresinin uzatılmasının son derece zor olduğu kanıtlandı. Google’ın son çalışmaları, en son işlemcilerini geliştirmede karşılaşılan en büyük sınırlamanın kübitlerin malzeme kalitesinden kaynaklandığını gösterdi.
Princeton ekibi kübiti yeniden tasarlamak için iki yönlü bir yaklaşım benimsedi. İlk olarak, kırılgan devrelerin enerjiyi korumasına yardımcı olmak için tantal adı verilen bir metal kullandılar. İkincisi, geleneksel safir alt tabakayı bilgisayar endüstrisinin standart malzemesi olan yüksek kaliteli silikonla değiştirdiler.
Tantalı doğrudan silikon üzerinde büyütmek için ekibin, malzemenin kendine özgü özellikleriyle ilgili bir dizi teknik zorluğun üstesinden gelmesi gerekti. Ama sonuçta galip geldiler ve bu kombinasyonun derin potansiyelini ortaya çıkardılar.
Princeton Kuantum Girişimi’nin eş direktörü ve yeni kubitin baş araştırmacısı Nathalie de Leon, tantal-silikon çiplerinin yalnızca mevcut tasarımlardan daha iyi performans gösterdiğini değil, aynı zamanda seri üretimin de daha kolay olduğunu söyledi. “Sonuçlarımız gerçekten son teknolojiyi zorluyor” dedi.
Google Quantum AI’nın donanımdan sorumlu baş bilim adamı Michel Devoret, kuantum hesaplama devrelerinin ömrünü uzatma mücadelesinin birçok fizikçi için bir fikir “mezarlığı” haline geldiğini söyledi. 2025 Nobel Fizik Ödülü sahibi Devoret, “Nathalie’nin bu stratejiyi takip edecek ve işe yarayacak cesareti gerçekten vardı” dedi.
Makalenin ortak yazarları, doktora sonrası araştırmacı Faranak Bahrami ve yüksek lisans öğrencisi Matthew P. Bland’dır.
Tantal kullanmak kuantum çiplerini daha sağlam hale getiriyor
Anthony HP Lee ’79 P11 P14 Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Profesörü Houck, kuantum bilgisayarın gücünün iki faktöre bağlı olduğunu söyledi. Birincisi, bir araya dizilmiş kübitlerin toplam sayısıdır.
İkincisi, hatalar ortaya çıkmadan önce her bir kübitin kaç işlem gerçekleştirebileceğidir. Yeni makale, bireysel kübitlerin kalitesini artırarak her ikisini de ilerletiyor. Özellikle daha uzun ömürlü bir kübit, sektörün en büyük engellerinin çözülmesine yardımcı olur: ölçeklendirme ve hata düzeltme.
Bu kübitlerdeki en yaygın hata kaynağı enerji kaybıdır. Metaldeki küçük, gizli yüzey kusurları, devre boyunca hareket ederken enerjiyi yakalayabilir ve emebilir. Bu, hesaplama sırasında kübitin hızla enerji kaybetmesine neden oluyor ve çipe daha fazla kübit eklendikçe hataların çoğalmasına neden oluyor.
Tantal tipik olarak alüminyum gibi daha yaygın olarak kullanılan metallere göre bu kusurlardan daha azına sahiptir. Daha az hata, mühendislerin meydana gelen hataları düzeltmesini de kolaylaştırır.
Elektrik ve bilgisayar mühendisliği alanında doçent olan Houck ve de Leon, tantalın süper iletken çipler için kullanımını ilk kez 2021 yılında Russell Wellman Moore Kimya Profesörü Princeton kimyager Robert Cava ile birlikte tanıttı. Süperiletken malzemeler konusunda uzman olan Cava, kuantum hesaplama konusunda hiçbir geçmişi olmamasına rağmen, de Leon’un birkaç yıl önce yaptığı bir konuşmadan ilham almıştı ve ikisi, kubit malzemeleri hakkında devam eden bir sohbeti başlattılar.
Sonunda Cava, tantalın daha fazla fayda ve daha az dezavantaj sağlayabileceğine dikkat çekti. Cava, de Leon ve ekibi kastederek, “Sonra gitti ve başardı” dedi. “İnanılmaz kısmı da bu.”
Her üç laboratuvardan araştırmacılar Cava’nın sezgilerini takip ederek safir bir alt tabaka üzerinde süper iletken bir tantal devre kurdular. Tasarım, dünya rekoruna uygun olarak tutarlılık süresinde önemli bir artış gösterdi.
Tantalın ana avantajı, son derece sağlam olması ve imalat sürecindeki kirliliğin giderilmesi için gereken sert temizliğe dayanabilmesidir. Yeni makalenin ortak yazarı Bahrami, “Tantalumu asit içerisine koyabilirsiniz ve yine de özellikleri değişmez” dedi.
Kirletici maddeler giderildikten sonra ekip, bir sonraki enerji kaybı kaynaklarını ölçmenin bir yolunu buldu. Geriye kalan kaybın çoğu safir substrattan geldi. Safiri, son derece yüksek saflıkta yaygın olarak bulunabilen bir malzeme olan silikonla değiştirdiler.
Üretim ve ölçüm tekniklerini geliştirirken bu iki malzemeyi birleştirmek, transmonun tarihindeki en büyük gelişmelerden birine yol açtı. Houck, çalışmayı “yararlı kuantum hesaplamayı mümkün kılma yolunda büyük bir atılım” olarak nitelendirdi.
İyileştirmeler sistem boyutuna göre katlanarak arttığı için Houck, mevcut endüstrinin en iyisini Princeton’ın tasarımıyla değiştirmenin, varsayımsal 1000 kübitlik bir bilgisayarın yaklaşık 1 milyar kat daha iyi çalışmasını sağlayacağını söyledi.
Silikonun kullanılması, endüstriyel ölçeklendirme için yeni çiplerin hazırlanmasını sağlar
Çalışma, kuantum cihaz tasarımı ve malzeme bilimindeki derin uzmanlığı bir araya getiriyor. Houck’un grubu süper iletken devrelerin inşası ve optimize edilmesinde uzmanlaşmıştır; de Leon’un laboratuvarı kuantum metrolojisine ve kübit performansını destekleyen malzeme ve üretim süreçlerine odaklanıyor; ve Cava’nın araştırma ekibi otuz yıl boyunca süperiletken malzemelerin ön saflarında yer aldı.
Uzmanlıklarının birleştirilmesi, tek başına başarılması mümkün olmayan sonuçlara yol açtı. Bu sonuçlar artık endüstrinin dikkatini çekti.
Aynı zamanda California-Santa Barbara Üniversitesi’nde fizik profesörü olan Google bilim insanı Devoret, üniversiteler ve endüstri arasındaki ortaklıkların teknolojinin sınırlarını ilerletmek için önemli olduğunu söyledi.
“Endüstri ile akademik araştırma arasında oldukça uyumlu bir ilişki var” dedi. Üniversite laboratuvarları bir kuantum bilgisayarın performansını sınırlayan temel hususlara odaklanmak için iyi bir konuma sahipken endüstri bu gelişmeleri büyük ölçekli sistemlere ölçeklendiriyor.
De Leon, “Bunun silikonda mümkün olduğunu gösterdik” dedi. “Kritik adımların neler olduğunu ve bu tür tutarlılık sürelerini mümkün kılacak önemli temel özellikleri göstermiş olmamız, artık ölçeklendirilmiş işlemciler üzerinde çalışan herkesin benimsemesini oldukça kolaylaştırıyor.”
