Kuantum bilgisayarlar için yüksek umutlar var: belirli hesaplamaları mevcut süper bilgisayarlardan çok daha hızlı gerçekleştirmeleri ve bu nedenle sıradan bilgisayarlar için aşılmaz olan bilimsel ve pratik sorunları çözmeleri gerekiyor. Bir kuantum bilgisayarın merkezinde, örneğin, atomların enerji seviyelerini veya elektronların dönüşlerini kullanarak farklı şekillerde gerçekleştirilebilen kuantum biti, kısaca kibir.
Ancak bu tür kubitler yaparken araştırmacılar bir ikilemle karşı karşıya. Bir yandan, bir kubbit, çevresinden mümkün olduğunca izole edilmelidir. Aksi takdirde, kuantum süperpozisyonları kısa sürede bozulur ve kuantum hesaplamaları bozulur. Öte yandan, çevre ile güçlü bir etkileşim gerektiren klasik bitlerin tıkanmasıyla benzer şekilde kubitleri mümkün olduğunca hızlı bir şekilde sürdürmek ister.
Normalde, bu iki koşul aynı anda yerine getirilemez, çünkü daha yüksek bir sürüş hızı otomatik olarak süperpozisyonların daha hızlı bir şekilde bozulmasını ve dolayısıyla daha kısa bir tutarlılık süresini gerektirir.
Basel Üniversitesi’nde Profesör Dominik Zumbühl liderliğindeki bir ekip, bir spin kubitini hem hızını hem de tutarlılık süresini aynı anda artırmalarına izin verecek şekilde ayarlamayı başardı. Bu sonuçlar yakın zamanda yayınlanan bu sonuçlar Doğa İletişimigelecekte diğer kubitleri daha hızlı ve daha sağlam hale getirebilir.
Hızlandırıcıya akıllı bir şekilde adım atmak
Araştırmanın ilk yazarı Dr. Miguel J. Carballido, “Başlangıçta, sadece quit’imizin hızlandırıcısına bastığımız için – sadece hiçbir şekilde değil, akıllı bir şekilde değil, kendimize ne olacağını sorduk” diyor.
O ve meslektaşları, yarı iletken malzeme germanyumundan yapılmış, sadece 20 nanometre çapında ve ince bir silikon kaplamaya sahip bir telden oluşan küçük bir cihaz inşa ettiler. Daha sonra telin düşük veya daha yüksek enerji seviyesinden tek bir elektronu çıkardılar, bu da bir “delik” ile sonuçlandı. “Bu delik bir hava balonuna benzer şekilde davranıyor,” diyor Carbalido.
Böyle bir sistem için, Basel Üniversitesi’nde Prof. Dr. Daniel Loss tarafından yönetilen teorik fizikçilerden oluşan bir ekip, birkaç yıl önce imkansızı elde edebilecek bir mekanizma tahmin etmişti: daha hızlı ve aynı zamanda daha uzun bir tutarlılık süresi. Carbalido, “Bunun için belirli bir tür spin-orbit bağlantısından yararlanıyoruz.”
Spin-yörünge bağlantısında, hareketli bir elektrik yüklü parçacık-bir elektron veya delik-manyetik bir alan yaratır. Bu manyetik alan, partikülün dönüşüne “çiftler” ve dolayısıyla manyetik bir etkileşim yoluyla enerjisini etkiler. Katı hal malzemesindeki delikler için, bu etki çok güçlü ve aynı zamanda elektriksel olarak kontrol edilebilir.
Hepsi karışımda
Bu nedenle, nanotel için bir elektrik voltajı uygulayarak, deliğin esas olarak düşük veya daha yüksek bir enerji seviyesinden veya her iki seviyenin bir karışımından gelip gelmediğini etkiler. Bu karışım, kubbit reaksiyonlarını nasıl sürdüğü için “hızlandırıcı pedalının” üzerinde önemli bir etkisi vardır: belirli bir karışım için, sözde bir plato ortaya çıkar, yani hızlandırıcı üzerinde daha sert basmanın sürücüyü daha hızlı yapmadığı, bunun yerine yavaşlatır.
Bu platonun bir başka sonucu da, örneğin çevredeki elektrik alanlarından dolayı dalgalanmaların, kubbiti standart bir spin-yörünge bağlantısı için olduğundan çok daha az etkilemesidir. Sonuç olarak, kuantum durumları daha az rahatsız edilir ve tutarlılık süresi artar.
Carbalido, “Bu şekilde, quit’imizin tutarlılık süresini dört kat artırabildik, aynı zamanda sürücüyü üç kat daha hızlı hale getirebildik” diyor. Ayrıca daha fazla tuhaflığı vurguluyor: Tipik olarak bir kubit çalıştırmak için gereken 100 Millikelvin’den az son derece düşük sıcaklıklar yerine, nispeten sıcak bir 1.5 Kelvin ile kurtulabilir. “Bu daha az enerji gerektirir ve nadir helyum-3 olmadan çalışır” diyor.
Şimdilik, plato hilesi sadece Basel’de yapılan nanotellerde çalışıyor, burada deliklerin sadece bir uzamsal boyutta hareket edebiliyor. Bununla birlikte, Zumbühl ve işbirlikçileri, yöntemlerinin yakında iki boyutlu yarı iletkenlere ve diğer kubit türlerine de uygulanabileceğini umuyorlar. Bu, daha güçlü kuantum bilgisayarlara önemli bir katkı olacaktır.
