Süper akım, kuantum bilgilerinin zarar görmeden okunmasını sağlar

Kuantum hesaplamanın temel zorluklarından biri kuantum bitinden veya kübitten bilgi elde etmektir. İçeriğini değiştirmeden tekrar tekrar okunabilen geleneksel bir bitin aksine, bir kuantum sisteminin doğrudan ölçümü tipik olarak durumun belirlenemeden çökmesine neden olur. Başka bir deyişle, bilgiyi okumak onu değiştirir.

Yeni bir çalışma, “Andreev kübiti” adı verilen belirli bir kübit türünün benzersiz bir özelliğini kullanarak bu sorunu aşmayı öneriyor. Bu kübit, kendi kuantum dinamiği yoluyla salınımlı bir elektrik süper akımı üretiyor. Bu süper akım, kübitin durumunun makroskobik bir göstergesi olarak hizmet edecek ve neredeyse tahribatsız bir şekilde yeniden inşa edilmesini sağlayacak.

Araştırma dergide yayımlandı Fiziksel İnceleme B Brezilya’daki São Paulo Üniversitesi (IFSC-USP) São Carlos Fizik Enstitüsü’nde profesör olan José Carlos Egues ve Çin’deki Pekin Teknoloji Enstitüsü Fizik Okulu’ndan Yugui Yao tarafından yönetildi. Yazarlara göre bu yöntem, tahribatsız kuantum okuma için mevcut tekniklerde kullanılan yardımcı kübitler olan yardımcı kübitlere olan ihtiyacı ortadan kaldırabilir.

Qubit’ler kuantum bilgisayarlardaki temel bilgi birimleridir. Klasik bir bit yalnızca 0 veya 1 olabilirken, kübit bu iki durumun çeşitli süperpozisyonlarında var olabilir. Bu özellik, kuantum hesaplamaya en güçlü özelliklerinden bazılarını verir, ancak aynı zamanda bilgiyi çevreyle ve ölçüm sürecinin kendisi ile etkileşime karşı son derece savunmasız hale getirir.

Egues, “Kuantum mekaniğinin geleneksel formülasyonunda, projektif ölçüm, sistemin ölçülen miktarla ilişkili durumlardan birini varsaymasına neden olur. Dolayısıyla, eğer bir kübit belirli bir 0 ve 1 süperpozisyonunda hazırlanmışsa, doğrudan ölçümü bu süperpozisyonu ve dolayısıyla içerdiği bilgiyi yok etme eğiliminde olur” diyor.

Bu zorluğun üstesinden gelmek için “kuantum yıkımsız ölçümler” veya QND geliştirildi. Bu protokollerin çoğunda kübitin bilgisi, ancilla adı verilen yardımcı bir kuantum sistemine aktarılır. “Ancilla” kelimesi Latince’den gelir ve “köle” veya “hizmetçi” anlamına gelir. Bugün mecazi anlamda bu terim başka bir şeye hizmet eden bir şeyi ifade etmek için kullanılıyor. Bu durumda orijinal kübitin mümkün olduğu kadar korunması için ancilla üzerinde ölçümler alınır.

Prosedür etkili olsa da, yardımcıların hazırlanmasını, bunların kübite bağlanmasını, bilgilerin aktarılmasını ve ardışık ölçümler yapılmasını gerektirir ki bu da zaman alıcı olabilir. Çok sayıda kubit içeren sistemlerde bu ek altyapı, önemli miktarda deneysel ek yükü temsil edebilir.

Araştırmacı, “Bizim stratejimiz farklı. Bilgiyi yardımcı bir kübite aktarmak yerine, onu incelenen kübitin kendisi tarafından üretilen bir sinyalden elde etmeye çalışıyoruz” diyor.

Üzerinde çalışılan kübit bir “Andreev kübiti”dir. Adını, 1964’te normal ve süperiletken malzemeler arasındaki arayüzün kuantum süreci karakteristiğini tanımlayan Sovyet fizikçi Alexander Andreev’den (1939–2023) almıştır. “Andreev durumları” olarak bilinen bu durumlar, bu işlemle üretilir ve iki süper iletken malzemeyi ayıran nano ölçekli bölgeyle sınırlandırılır. 0 ve 1 temel durumlarının yanı sıra bunların süperpozisyonlarını kodlamak için kullanılabilirler.

Egues, “Söz konusu sistemde, bu bölge, her iki tarafta süper iletken malzemelere bağlı bir indiyum arsenit (InAs) nanotelinde oluşturulmuş bir kuantum noktasıdır (yani elektronların uzaysal olarak sınırlandırıldığı nano ölçekli bir yapıdır). Andreev kübitini karakterize eden durumlar bu ortamda oluşur.” diye açıklıyor.

Bu sistemin bir özelliği de “süper akım”ın dolaşımıdır. Bu direnç olmadan akan bir elektrik akımıdır. Çalışma, kübitin temel durumlarının süperpozisyonunda olduğunda süper akımın zaman içinde salınımlı bir bileşen sergilediğini gösterdi. Süperpozisyonu oluşturan durumlar arasındaki kuantum girişiminin ürettiği bu salınım, kübitin durumu hakkında bilgi taşır. Araştırmacı, “Kbit’i okumak için kullandığımız özellik tam olarak bu. Teklifimizin merkezinde yer alan süper akım bu” diye belirtiyor.

Kuantum durumunun imzası

Herhangi bir kübit durumu, “Bloch küresi” adı verilen bir nokta ile geometrik olarak temsil edilebilir. Bu kürenin yüzeyindeki her nokta, 0 ve 1 temel durumlarının spesifik bir süperpozisyonuna karşılık gelir ve bir noktanın konumu iki açıyla tanımlanır. Bir açı, 0 ve 1 durumlarının süperpozisyona katkıda bulunduğu oranı belirtirken, diğer açı, bunlar arasındaki faz ilişkisini gösterir. Dolayısıyla bu iki açıyı bilmek kübitin durumunu bilmekle eşdeğerdir.

“Çalışmamız, bu bilginin süper akımın kendisinde kodlandığını gösterdi. Süper akımın sabit bir bileşeni ve dalgalanan bir bileşeni var. Sabit bileşenin değeri ve salınımın genliği, süperpozisyondaki her durumun (0 ve 1) oranını ortaya koyuyor ve bu salınımın başladığı an, aralarındaki faz ilişkisini ortaya çıkarıyor. Böylece, akımın zaman içinde nasıl değiştiğini ölçerek kübitin başlangıç durumunu yeniden oluşturmak mümkün oluyor.” açıklıyor.

Ancak bu olayın bir başka önemli yönü daha var. Bu tür süper iletken sistemlerde, süper akımın zaman içinde sabit kalması yerine salınmasını sağlamak için genellikle bir elektrik voltajı gereklidir. Bu, “AC Josephson etkisi” olarak bilinir. Ancak incelenen sistemde akım herhangi bir harici voltaj uygulanmadan salınabilir. Egues, “Sistemimiz, alternatif akım gibi zamanla değişen ancak voltajı olmayan bir süper akım üretiyor. Bu salınımı üreten şey, kübitin durumunun evrimidir” diyor.

Dolayısıyla akım, sistemin mikroskobik kuantum dinamiğinin makroskobik bir tezahürünü oluşturur. Araştırmacıların kübiti okumak için kullandıkları şey tam olarak iki ölçek arasındaki bu köprüdür.

Andreev kübiti, yukarıda bahsedilen süper akımın dolaştığı kapalı bir süper iletken devreye dahil edilmiştir. Bu devrenin yakınına, zayıf manyetik alanlara son derece duyarlı bir alet olan SQUID (süper iletken kuantum girişim cihazı) yerleştirilir.

Süper akım devreden akarken, ona göre değişen bir manyetik alan üretir. SQUID bu değişiklikleri tespit eder ve bunları akımın nasıl davrandığını belirlemek için kullanır. Bu davranış, kübitin durumu hakkında bilgi sağlar, dolayısıyla bu durumu doğrudan ölçmeden yeniden oluşturmak mümkündür.

Egues basit bir benzetme kullanıyor: “Kübiti bir pusula, SQUID’i ise başka bir pusula olarak düşünebiliriz. Devredeki akım manyetik bir alan üretiyor ve SQUID bu alanı ‘algılıyor’. İkisi arasındaki bağlantı çok zayıf olduğundan, ölçüm cihazının kübit üzerindeki etkisi çok küçük olma eğiliminde.”

Bu konu çok önemlidir çünkü kuantum fiziğinde ölçüm cihazı pasif bir gözlemci değildir. Sistemle etkileşime girerek, kişinin ölçmek istediği şeyi değiştirebilecek geri bildirimler üretir. Ölçüm cihazının ölçülen şey üzerindeki etkisi, kuantum fiziğinin ilk günlerinde fizikçiler arasında büyük bir kafa karışıklığına neden oldu. Ancak bu kaçınılmazdır. Bu, tabiri caizse, maddi gerçekliğin içkin bir özelliğidir. Önerilen cihazın geri bildirimi de var. Ancak çalışmada yapılan simülasyonlar, bunun önemsiz hale gelecek kadar küçük değerlere indirgenebileceğini gösterdi.

Egues, “Metodumuz kuantum ölçümünün temel sorununu ortadan kaldırmıyor. Ancak, tahribatsız bir okumanın sınırına yaklaşabilir ve aynı zamanda diğer tahribatsız kuantum ölçüm protokollerinde kullanılan yardımcı kübitlerin (ancillas) kullanımından kaçınabilir” diye belirtiyor.

Başka bir avantajımız daha var. Her ölçümden sonra kübiti başlangıç ​​durumuna sıfırlamaya gerek yoktur. Sistem geliştikçe ölçümler art arda gerçekleştirilebilir ve zaman içindeki dinamiklerinin takibi mümkün olur.

Hata payı sınırları dahilinde

Araştırmacılar ayrıca gerçek bir deneyin kaçınılmaz kusurlarına rağmen yaklaşımın işe yarayıp yaramayacağını belirlemeye çalıştılar. Bunu başarmak için ölçümlere gürültüyü de dahil eden simülasyonlar yürüttüler ve küçük algılama bobininin neden olduğu geri bildirimi hesaba kattılar.

Dikkate alınan ölçüm sayısına bağlı olarak simülasyonlar %99,52, %99,81 ve %99,85 doğruluk oranları vermiştir. Bu sonuçlar kuantum hata düzeltme şemalarında benimsenen standart eşik değerleri dahilindedir.

Çalışma tamamen teoriktir. Ancak Egues’e göre bu, cihazın var olmayan bileşenlere veya gelecekteki teknolojik gelişmelere bağlı olduğu anlamına gelmiyor. “Kullandığımız tüm rakamlar gerçekçi. Prensipte bu başarılabilir. Aslında hesaplamalarımızda mevcut sistemlerden parametreler kullandık. Henüz var olmayan şey, önerdiğimiz geometri, o düzen” diye savunuyor.

Bu, çalışmayı, gerçekleştirilmesi malzeme veya cihaz imalatındaki ilerlemelere bağlı olan diğer teorik tekliflerden ayırıyor. Örneğin son derece küçük akımların ve manyetik alanların SQUID’ler tarafından tespiti yerleşik bir teknolojidir.

Dolayısıyla teklif iki sonucu birleştiriyor. İlk sonuç temel fiziktedir: AC Josephson etkisine benzer, ancak harici bir voltaj olmadan kübitin kendi tutarlı evrimi tarafından üretilen salınımlı bir süper akımın tahmini. İkinci sonuç ise teknolojik: Bu akımın özelliklerini, kübitin durumunun minimum düzeyde bozulmayla yeniden yapılandırılmasına olanak tanıyan bir imza olarak kullanmak.

Tahminin deneyler yoluyla doğrulanması durumunda yöntem, yardımcı maddelere ve ardışık sıfırlamalara olan ihtiyacı ortadan kaldırarak Andreev kübitlerini okumak için daha basit bir mimari sağlayabilir. Ayrıca kübitin kendisi tarafından üretilen makroskobik elektrik akımı aracılığıyla mikroskobik kuantum bilgisine erişerek bu sistemlerin umut verici bir özelliğinden de yararlanabilir.