Fosfor ve silikondan yapılmış 15.000 kübitlik bir dizi, mükemmel elektrik iletkenleri gibi kuantum malzemeleri simüle etmek için benzeri görülmemiş derecede büyük bir platform sunuyor
Quantum Twins simülatöründe kübitlerin bir sanatçı tarafından temsili
Benzeri görülmemiş derecede büyük bir kuantum simülatörü, egzotik ve potansiyel olarak yararlı kuantum malzemelerinin nasıl çalıştığına ışık tutabilir ve bunları gelecekte optimize etmemize yardımcı olabilir.
Kuantum bilgisayarlar, eninde sonunda dünyanın en iyi geleneksel bilgisayarları için zor olan hesaplamaları tamamlamak için kuantum olgusunu kullanabilirler. Benzer şekilde, kuantum olgusunu kullanan bir simülatör, araştırmacıların yeterince anlaşılmayan malzemeleri veya molekülleri doğru bir şekilde modellemesine yardımcı olabilir.
Bu özellikle elektriği neredeyse mükemmel bir verimlilikle ileten süper iletkenler gibi malzemeler için geçerlidir, çünkü bu özelliği doğrudan kuantum simülatörlerinde uygulanabilen ancak geleneksel cihazlarda daha fazla matematiksel çeviri adımı gerektirecek kuantum etkilerinden alırlar.
Avustralya’daki Silicon Quantum Computing’den Michelle Simmons ve meslektaşları, Quantum Twins adı verilen kuantum malzemeleri için şimdiye kadarki en büyük kuantum simülatörünü yarattılar. “Bu simülatörlerle elde ettiğimiz ölçek ve kontrol edilebilirlik, artık çok ilginç bazı sorunların üstesinden gelmeye hazır olduğumuz anlamına geliyor” diyor. “Yeni malzemeleri, kelimenin tam anlamıyla analoglarını atom atom oluşturarak daha önce düşünülmemiş yöntemlerle tasarlıyoruz.”
Araştırmacılar fosfor atomlarını silikon çiplere yerleştirerek çeşitli simülatörler geliştirdiler. Her atom, kuantum bilgisayarların ve simülatörlerin temel yapı taşı olan bir kuantum biti veya kübit haline geldi ve ekip, kübitleri, gerçek malzemelerdeki atomların düzenini taklit eden farklı ızgaralara hassas bir şekilde yerleştirebildi. Quantum Twins’in her yinelemesi, 15.000 kübitlik kare bir ızgaradan oluşuyordu; bu, önceki kuantum simülatörlerinden daha fazlaydı. Benzer kübit dizileri daha önce örneğin binlerce aşırı soğuk atomdan oluşturulmuştu.
Bu modelleme süreci sayesinde ve her çipe elektronik bileşenler ekleyerek araştırmacılar çipteki elektronların özelliklerini de kontrol ettiler. Bu, örneğin içlerindeki elektrik akışını anlamak için çok önemli olan simüle edilmiş malzemelerdeki kontrol elektronlarını taklit etti. Örneğin araştırmacılar, ızgaradaki herhangi bir noktaya bir elektron eklemenin ne kadar zor olacağını veya bir elektronun iki nokta arasında “atlamasının” ne kadar zor olacağını ayarlayabilirler.
Simmons, geleneksel bilgisayarların büyük iki boyutlu sistemlerin yanı sıra elektronların belirli kombinasyonlarını simüle etmekte zorlandığını, ancak Quantum Twins simülatörlerinin bu durumlar için umut verdiğini söylüyor. O ve ekibi, bir malzemedeki “kirin” elektrik akımlarını destekleme yeteneğini nasıl etkileyebileceğine ilişkin ünlü bir matematiksel modelin metalik (veya iletken) ve yalıtkan davranışı arasındaki geçişi simüle ederek çiplerini test etti. Ayrıca, simüle edilen malzemenin manyetik alanlara maruz kaldığında nasıl davrandığını yakalayan sistemin “Hall katsayısını” sıcaklığın bir fonksiyonu olarak ölçtüler.
Simmons, deneyde kullanılan cihazların boyutu ve ekibin değişkenleri kontrol etme yeteneğinin, Quantum Twins simülatörlerinin alışılmadık süper iletkenlerle mücadeleye devam edebileceği anlamına geldiğini söylüyor. Geleneksel süperiletkenlerin elektron seviyesinde nasıl çalıştığı nispeten iyi anlaşılmıştır, ancak bunların aşırı derecede soğuk hale getirilmesi veya süperiletkenliğe yönelik muazzam bir baskı altına alınması gerekir ki bu da pratik değildir. Bazı süper iletkenler daha ılıman koşullarda çalışabilir, ancak onları oda sıcaklığında ve basıncında çalışacak şekilde tasarlamak için araştırmacıların onları daha mikroskobik olarak anlamaları gerekiyor; kuantum simülatörlerinin gelecekte sunabileceği türden bir anlayış.
Ayrıca Simmons, Quantum Twins’in ilaç geliştirme veya yapay fotosentez cihazları için yararlı olabilecek farklı metaller ve poliasetilene benzer moleküller arasındaki arayüzleri incelemek için kullanılabileceğini söylüyor.
