Kuantum mekaniği mikroskobik parçacıkların tuhaf davranışlarını tanımlar. Hesaplama gerçekleştirmek için kuantum sistemlerini kullanmak, araştırmacıların kimyadan kriptografiye kadar pek çok olası çözüme sahip olan ve mümkün olan en güçlü kuantum olmayan bilgisayarların bile yeteneklerinin ötesinde olan sorunları çözmelerine olanak sağlamayı vaat ediyor.
Kuantum hesaplama, araştırmacıların pratik kuantum teknolojileri geliştirmesine bağlıdır. Süperiletken elektrik devreleri umut verici bir teknolojidir, ancak çok uzun zaman önce bunların kuantum davranışı gösterip göstermediği bile belli değildi. 2025 Nobel Fizik Ödülü, kuantum etkilerinin büyük elektrik devrelerinde bile devam ettiğini gösteren ve pratik kuantum teknolojilerinin geliştirilmesine olanak sağlayan çalışmaları nedeniyle üç bilim adamına verildi.
Kuantum hesaplama ve diğer kullanımlar için süper iletken devreler üzerinde çalışan bir fizikçiyim. Alanımdaki çalışmalar Nobel ödüllülerin yürüttüğü çığır açıcı araştırmalardan kaynaklanıyor.
Büyük, soğuk, kuantum
1984 ve 1985 tarihli çalışmalarında o zamanki Ph.D. öğrencisi John Martinis, o zamanki doktora sonrası araştırmacı Michel Devoret ve UC Berkeley profesörü John Clarke, büyük elektrik devrelerinin bile kuantum davranışı sergileyebileceğini gösterdi. Niyobyum ve kurşundan yapılmış bir devre kullandılar. Mutlak sıfırın birkaç derece üzerine kadar soğutulduğunda bu metaller süper iletken hale gelir. Süper iletken, herhangi bir ısı üretmeden akım taşıyan bir malzemedir.
Martinis, Devoret ve Clarke, bir süper iletkende gerilimlerin ve akımların kuantum mekaniği tarafından yönetildiğini gösterdi. Devre kuantize edilmiş (ayrı ve bölünemez anlamına gelen) enerji seviyelerine sahiptir ve birden fazla durumun süperpozisyonlarında olabilir.
Herhangi bir fiziksel sistem, o sistem hakkında bilmeniz gereken her şeyi size anlatan bir durumla tanımlanabilir. Kuantum mekaniği, bir durumun ölçülebilen şeylerin belirli nicelenmiş değerlerine sahip olabileceğini gösterir. Bir örnek enerjidir: Belirli bir sistemin enerjisi 1 veya enerjisi 2 olabilir, ancak ikisinin arasında hiçbir şey olamaz. Aynı zamanda, bir kuantum sistemi birden fazla durumun süperpozisyonunda olabilir; tıpkı bir görüntünün bir pikselinde herhangi bir rengi elde etmek için farklı miktarlarda kırmızı/yeşil/mavi ekleyebileceğiniz gibi.
Daha da önemlisi, ödül alanlar, araştırmacıların bu süper iletken devrelerden birini tek bir kuantum parçacığıymış gibi tanımlayabildiklerini gösterdi. Bu basit davranış, süperiletken devreleri bir teknoloji olarak bu kadar kullanışlı kılan şeydir.
Günümüzde süper iletken devreler temel kuantum fiziğini incelemek, diğer fiziksel sistemleri simüle etmek ve ultra hassas algılama protokollerini test etmek için kullanılıyor. Örneğin Devoret grubu yakın zamanda süperiletken devreyi temel alan ideale yakın bir mikrodalga amplifikatörü gösterdi. Mikrodalga amplifikatörleri iletişimde, radarda ve bilimsel cihazlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.
Martinis grubu, bir grup elektron benzeri parçacığı taklit etmek için süper iletken devreler kullandı. Bu tür simülasyon, temel fizik çalışmalarında önemli bir tekniktir.
Kendi grubumda, manyetik alanı standart tekniklerden daha hassas bir şekilde ölçmeye yönelik bir protokolü göstermek için yakın zamanda bir süper iletken devre kullandık. Kuantum sensörleri, biyolojik aktiviteden yerçekimi anormalliklerine kadar fiziksel nicelikleri son derece hassas bir şekilde ölçer.
Ancak süperiletken devrelerin bugüne kadarki en büyük uygulaması kuantum hesaplama platformudur.
Süper iletken kuantum bilgisayarlar
Çoklu kuantum sistemleri birbirleriyle etkileşime girebilir ve birbirine karışabilir, böylece tek bir sistem gibi hareket edebilirler. Kuantumlama, süperpozisyon ve dolaşıklığın bu kombinasyonu, kuantum bilgisayarlara güç veren şeydir.
Kuantum hesaplama teknolojisinde araştırmacılar, yalnızca iki durumda olabilen bir kuantum sistemi (kuantum biti veya kübit) kullanır. Qubitlerin tutarlı olması gerekiyor. Bu, eğer onu belirli bir duruma koyarsak, orada kalmasını ve rastgele başka bir duruma geçmemesini istediğimiz anlamına gelir. Qubitlerin kontrol edilebilir olması gerekiyor. Bu, araştırmacıların bir kübitin durumunu gerektiği gibi değiştirebilmesi ve diğer kübitlerle etkileşime geçmesini sağlayabilmesi gerektiği anlamına geliyor. Ve kübitlerin ölçeklenebilir olması gerekiyor, bu da onlardan çok sayıda üretmemiz gerektiği anlamına geliyor.
Vakumdaki atom dizileri, hapsolmuş iyonlar, yarı iletkenlerde hapsolmuş elektronlar ve optik devreler tarafından kontrol edilen fotonlar gibi pek çok teknoloji umut vaat ediyor. Ancak tüm teknolojiler başka bir şeyi geliştirmek için tutarlılıktan, kontrol edilebilirlikten veya ölçeklenebilirlikten ödün vererek ödünler verir.
Süper iletken devrelerin basitliği ve esnekliği, devrenin tasarımını değiştirerek araştırmacıların neredeyse istediğimiz her kübit davranışını elde edebileceği ve bu davranışın tahmin edilmesinin kolay olduğu anlamına gelir. Bu, kuantum hesaplamanın teknolojik açıdan hassas noktasını vuruyor. Daha açık bir şekilde, hapsolmuş atomlar gibi kuantum teknolojileri o kadar küçüktür ki kontrol edilmesi ve etkileşime girmesi zor olabilir. Süper iletken kubitler kontrol edilmesi kolay olacak kadar büyük, güvenilir olacak kadar basit ve her şeyin çalışmasını sağlayacak kadar kuantumdur.
Bugün benimki gibi akademik araştırma grupları yeni türde süper iletken kübitler geliştiriyor, bunları daha tutarlı hale getirmenin yollarını arıyor, onlar üzerindeki kontrolümüzü iyileştirmeye çalışıyor ve ölçeklendirmelerini kolaylaştıracak teknikler geliştiriyor. Şirketler ve devlet laboratuvarları, bu akademik sonuçları kendi temel araştırmalarıyla birlikte alıp bunları uygulayarak, pratik kullanım için büyük ölçekli kuantum işlemciler oluşturmak için zorlu mühendislik işlemlerini gerçekleştiriyor.
Süperiletken öncüleri
Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, Nobel ödülü sahipleri 1980’lerdeki çalışmalarının ötesinde büyük katkılarda bulundular ve bulunmaya devam ediyorlar. Akademik çalışmalarına ek olarak, Martinis daha önce Google’ın kuantum işlemci çalışmalarına başkanlık ediyordu ve artık kendi şirketi var; Devoret ise artık Google çalışmalarına yardımcı oluyor. Artık emekli olan Clarke, kariyerinin sonlarında yaptığı çalışmaların çoğunu kuantum devreleri üzerinde yaptı. Ve bunların benim kariyerim ve pek çok başka kişi üzerinde büyük etkileri oldu.
22 Mayıs 2025’te Devoret ile bir panel tartışması yapma ayrıcalığına sahip oldum. Kendisi unutulmaz bir iddiada bulundu: Akademik danışman seçmek, eş seçmekten çok daha önemli olabilir çünkü “danışmanınızdan boşanamazsınız.”
Kuantum süperiletkenler alanında çalışan araştırmacıların yarısının Clarke’a kadar akademik bir kökene sahip olabileceği sıklıkla şaka konusu oluyor. Bunu iki kez yapabilirim: Doktora derecem. danışmanım İrfan Sıddıki’ye Devoret danışmanlık yapmıştı ve Clarke benim ikinci danışmanımdı. Ve bir yüksek lisans öğrencisi olarak en gurur duyduğum başarılardan biri, ayrıntılar konusunda beni sinirlendirmek için bir konuşma yaptıktan sonra Martinis’in beni yakalaması sırasında paniğe kapılmamamdı.
Bugün çalışmalarından dolayı onurlandırılıyorlar ve yarın ben ve onların yetiştirdiği diğer araştırmacılar bunu sürdürmek için elimizden geleni yapacağız.
