Farklı kuantum bilgisayarlarla yapılan iki deney, şimdiye kadar laboratuvarda zor olan materyalleri ve kuantum maddesini simüle etme yeteneklerini sergilemektedir.
Bir kuantum bilgisayarın 3D illüstrasyonu
Kuantum bilgisayarları çevreleyen tüm hype için, teknoloji bazen bir problem arayışında bir çözüm gibi görünebilir. Bilimsel olarak etkileyici, ancak gerçek dünyada henüz açıkça yararlı değil. Bununla birlikte, uygulamalar avı şimdi sonuç vermeye başlıyor – özellikle yeni elektronik ve daha güçlü bilgi işlem sistemlerinin geliştirilmesini güçlendirebilecek egzotik kuantum malzemelerin peşinde.
Yeni aşamaları keşfetmek ve incelemek-yani, buz veya sıvı suyun sıvı fazlarının daha egzotik eşdeğerleri-yoğunlaştırılmış madde fiziğinin ekmek ve tereyağıdır. Bu alan, geleneksel bilgisayarların çalışmasını sağlayan yarı iletkenleri anlamamıza yardımcı oldu ve sonunda bize mükemmel verimlilikle elektrik gerçekleştirecek pratik süperiletkenler verebilir.
Ancak, teorinin öngördüğü daha karmaşık aşamaların bazılarını incelemek için geleneksel deneyleri kullanmak giderek zorlaşıyor. Örneğin, Kitaev petek modeli olarak bilinen teorik bir çerçeve, olağandışı manyetizma türleri sergileyen malzemelerin varlığını ve ayrıca olağandışı quasipartiküller-parçacık benzeri varlıklar-içermeyenleri öngörmektedir. Aslında, Simon Evered Harvard Üniversitesi’nde “bunu gerçek dünya malzemelerinde tasarlamak için onlarca yıllık bir arayış” olduğunu söylüyor.
O ve meslektaşları, son derece soğuk atomlardan yapılmış 104 kubit içeren bir kuantum bilgisayar kullanarak bunu simüle ettiler. Ve bunu yapan tek araştırmacı onlar değil. Almanya’daki Münih Teknik Üniversitesi’ndeki Frank Pollmann ve meslektaşları, kitaev bal pisti modelinin bir versiyonundan kaynaklanan daha önce hiç görülmemiş bir madde durumunu simüle etmek için sırasıyla 72 ve 105 süper iletken kubitleri barındıran Google’ın çınar ve Willow Quantum bilgisayarlarını kullandı. Her iki takım da çalışmalarını yayınladı.
“Bu iki makale, şimdiye kadar sadece teoride tahmin edilen, ancak deneylerde gerçekleştirilmeyen yeni madde aşamalarını keşfetmek için kuantum bilgisayar kullanıyor,” diyor Petr Zapletal, her iki çalışmaya da dahil olmayan Almanya’daki Erlangen-Nuremberg Üniversitesi’nde. “Heyecan verici olan, kuantum bilgisayarlardaki kuantum ve yoğun madde sistemlerinin simülasyonlarının ne kadar hızlı hale geldiğidir”.
Her iki araştırma ekibi de simülasyonlarında anonların varlığını doğruladı. Bu, hem kuantum bilgisayarların ilerlemesini hem de nihai faydalarını göstermektedir, çünkü antonlar kubitlerden temel olarak farklı olan ve bu nedenle taklit edilmesi zor olan egzotik parçacıklardır.
Mevcut diğer tüm parçacıklar diğer iki kategoriye ayrılır – fermikler ve bozonlar. Kimyagerler ve materyal bilim adamları için en ilginç olanlar tipik olarak fermiyanlardır, ancak kubitler bozon olma eğilimindedir. İkisi arasındaki farklılıklar, dönüşleri veya büyük gruplarda nasıl davrandıkları gibi, bozonlarla başlarsanız fermasyonları simüle etmeyi zorlaştırır, ancak soğuk atomlu kuantum bilgisayar deneyi, boşluğu kapatmak için Kitaev modelini kullanmıştır. Bu deney üzerinde çalışan Harvard Üniversitesi’ndeki Marcin Kalinowski, Kitaev modelini yeni fizik için bir “tuval” olarak kullandıklarını söylüyor – bu modelden başlayarak, o ve meslektaşları qubits arasındaki etkileşimleri ayarlayarak simülasyonda quasipartikülleri ortaya koyabilirler. Kalinowski, o zaman bu yeni parçacıkların bazılarını daha yeni malzemeleri simüle etmek için kullanmak mümkün olabilir.
Google’ın bilgisayarlarını kullanan deney, bir diğer önemli unsur içeriyordu. Simüle edilmiş malzemeyi dengeden çıkarmaya odaklandı – sürekli sallamanın eşdeğeri. Pollmann, laboratuvarda bir malzemenin tekrar tekrar lazer ışığı tarafından vurulduğu deneyler gibi laboratuvarda meslektaşları olmasına rağmen, maddenin denge dışı aşamaları büyük ölçüde keşfedilmiyor. Bu şekilde ekibinin çalışması, laboratuvardaki yoğun bir madde fizikçisinin bir malzemeyi soğuk sıcaklıklara veya yüksek manyetik alanlara nasıl maruz bırakabileceğini ve daha sonra fazının nasıl değiştiğini teşhis etmeye çalışabileceğini yansıtıyor. Bu tür teşhisler hayati önem taşır, çünkü sonuçta malzemenin hangi koşullarda kullanılabileceğini ortaya çıkarabilirler.
Açık olmak gerekirse, bu deneyler hemen yararlı bir şeye yol açmaz. Aslında, gerçek dünya uygulamalarına ulaşmak için, araştırmacılar analizlerini daha büyük ve daha az hataya eğilimli kuantum bilgisayarlar üzerinde tekrarlamak zorunda kalacaklar-hala sahip olmadığımız tür. Ancak iki deney, kuantum bilgisayarların fiziği keşfedebileceği ve muhtemelen araştırmacıların onlarca yıldır kullandığı diğer deney araçlarına benzer şekilde keşiflere yol açabileceği bir niş çıkar.
Malzeme bilimi, kuantum bilgisayarların değerlerinin şok olmadığını kanıtladığı ilk yer olabilir. Richard Feynman gibi kuantum bilgi işlem progenitörlerinin, 1980’lerde teknoloji hakkında düzinelerce nasıl yapacağını bilmeden çok önce nasıl konuştuğuna uyuyor. Ve kuantum bilgi işlemin genellikle sunulma şeklinden, vurgunun pratik uygulamalarla ilgisiz görevlerde klasik bilgisayarlardan daha iyi performans gösteren kuantum bilgisayarları sergileyen deneyler üzerinde önemli ölçüde farklıdır.
Kalinowski, “Kuantum hesaplamasını sadece bireysel cihazların performansı perspektifinden ziyade bilime bir yaklaşım olarak geliştirme açısından değer, bu tür deneylerde tartışılmaz” diyor.
