Kuantum, Bilişim Dünyamızda Devrim Yaratabilir
Araştırmacılar Manyetik Bir Bükülme ile Kuantum Hesaplama Sıçraması Yapıyor
Kuantum, bilişim dünyamızda devrim yaratabilir. Belirli ve önemli görevler için, laboratuvarlardaki süper bilgisayarlardan cebimizdeki akıllı telefonlara kadar günümüz makinelerinin temelini oluşturan sıfır ya da bir ikili teknolojiden katlanarak daha hızlı olmayı vaat ediyor. Ancak kuantum bilgisayarların geliştirilmesi, bilgi depolamak, bilgiye erişmek ve hesaplama yapmak için kararlı bir kübit ağı ya da kuantum bitleri oluşturmaya bağlıdır.
Ancak bugüne kadar ortaya çıkarılan kübit platformlarının ortak bir sorunu var: Hassas ve dış etkenlere karşı savunmasız olma eğilimindeler. Başıboş bir foton bile sorun yaratabilir. Harici pertürbasyonlara karşı bağışıklığı olan hataya dayanıklı kübitlerin geliştirilmesi bu zorluğa nihai çözüm olabilir.
Washington Üniversitesindeki bilim insanları ve mühendisler tarafından yönetilen bir ekip, bu arayışta önemli bir ilerleme kaydedildiğini duyurdu. Nature dergisinde 14 Haziran’da ve Science dergisinde 22 Haziran’da yayımlanan iki makalede araştırmacılar, her biri yalnızca tek bir atom kalınlığında olan yarı iletken malzeme pullarıyla yapılan deneylerde “kesirli kuantum anormal Hall” (FQAH) durumlarının imzalarını tespit ettiklerini bildirdiler.
Ekibin keşifleri, bir tür hataya dayanıklı kubitin inşasında ilk ve umut verici bir adımı işaret ediyor çünkü FQAH durumları, bir elektronun yükünün yalnızca bir kısmına sahip olan anyonları-garip “kuasipartikülleri” barındırabilir. Bazı anyon türleri, “topolojik olarak korunan” kubitler olarak adlandırılan ve küçük, yerel bozulmalara karşı kararlı olan kubitleri yapmak için kullanılabilir.
Bu keşiflerin arkasındaki baş araştırmacı, aynı zamanda Boeing Seçkin Fizik Profesörü ve UW’de malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü olan Xiaodong Xu, “Bu, gelecekte kesirli uyarımlarla kuantum fiziğini incelemek için gerçekten yeni bir paradigma oluşturuyor.” dedi.
FQAH durumları, iki boyutlu sistemlerde var olan maddenin egzotik bir fazı olan fraksiyonel kuantum Hall durumuyla ilgilidir. Bu durumlarda; elektrik iletkenliği, iletkenlik kuantumu olarak bilinen bir sabitin kesin kesirleriyle sınırlandırılmıştır. Ancak kesirli kuantum Hall sistemleri tipik olarak onları sabit tutmak için büyük manyetik alanlar gerektirir, bu da onları kuantum hesaplama uygulamaları için pratik hale getirir. Ekibe göre, FQAH durumunun böyle bir gereksinimi yoktur, “sıfır manyetik alanda” bile kararlıdır.
Maddenin böylesine egzotik bir evresine ev sahipliği yapmak, araştırmacıların egzotik özelliklere sahip yapay bir kafes inşa etmelerini gerektirdi. Yarı iletken malzeme molibden ditellüridin (MoTe2) atomik olarak ince iki pulunu birbirlerine göre küçük, karşılıklı “bükülme” açılarında istiflediler. Bu konfigürasyon elektronlar için sentetik bir “bal peteği kafesi” oluşturdu.
Araştırmacılar istiflenmiş dilimleri mutlak sıfırın birkaç derece üzerine kadar soğuttuklarında, sistemde içsel bir manyetizma ortaya çıktı. İçsel manyetizma, kesirli kuantum Hall durumu için tipik olarak gerekli olan güçlü manyetik alanın yerini alıyor. Lazerleri sonda olarak kullanan araştırmacılar, kuantum hesaplama için anyonların gücünün kilidini açmada önemli bir adım olan FQAH etkisinin imzalarını tespit etti.
Hong Kong Üniversitesi, Japonya’daki Ulusal Malzeme Bilimi Enstitüsü, Boston College ve Massachusetts Teknoloji Enstitüsünden bilim insanlarını da içeren ekip, sistemlerini elektronlar gibi günlük parçacıklardan çok farklı özelliklere sahip olan anyonların daha derinlemesine anlaşılması için güçlü bir platform olarak tasarlıyor.
Anyonlar, bir elektronun fraksiyonları olarak hareket edebilen kuasi partiküller veya parçacık benzeri “uyarımlardır”. Araştırmacılar, deneysel sistemleriyle gelecekte yapacakları çalışmalarda, bu tür kuasi partiküllerin daha da egzotik bir versiyonunu keşfetmeyi umuyorlar: Topolojik kübitler olarak kullanılabilecek “Abelyen olmayan” anyonlar. Belian olmayan anyonların birbiri etrafına sarılması ya da “örülmesi” dolaşık bir kuantum durumu oluşturabilir.
Bu kuantum durumunda, bilgi esasen tüm sisteme “yayılır” ve yerel bozulmalara karşı dirençlidir; topolojik kübitlerin temelini oluşturur ve mevcut kuantum bilgisayarların yetenekleri üzerinde büyük bir ilerleme sağlar.
Science makalesinin baş yazarı ve Nature makalesinin eş baş yazarı olan UW fizik doktora öğrencisi Eric Anderson, “Bu tür bir topolojik kübit, şu anda yaratılabilenlerden temelde farklı olacaktır.” dedi. “Asibiyan olmayan anyonların garip davranışları, onları bir kuantum hesaplama platformu olarak çok daha sağlam hale getirecektir.”
Araştırmacıların deney düzeneğinde hepsi aynı anda var olan üç temel özellik, FQAH durumlarının ortaya çıkmasını sağladı:
Manyetizma: MoTe2 manyetik bir malzeme olmamasına rağmen, sisteme pozitif yükler yüklediklerinde, ferromanyetizma adı verilen bir manyetizma biçimi olan “spontane spin düzeni” ortaya çıktı.
Topoloji: Sistemlerindeki elektrik yükleri, bir Möbius şeridine benzer şekilde “bükülmüş bantlara” sahiptir ve bu da sistemi topolojik hale getirmeye yardımcı olur.
Etkileşimler: Deneysel sistemlerindeki yükler, FQAH durumunu stabilize edecek kadar güçlü etkileşime giriyor.
Ekip, bu yeni yaklaşımla Aseliyen olmayan anyonların keşfedilmeyi beklediğini umuyor.
Nature makalesinin başyazarı ve Science makalesinin ortak yazarı olan UW fizik doktora öğrencisi Jiaqi Cai, “Kesirli kuantum anormal Hall etkisinin gözlemlenen imzaları ilham verici.” dedi. “Sistemdeki verimli kuantum durumları, iki boyutta yeni fizik keşfetmek için çip üzerinde bir laboratuvar ve ayrıca kuantum uygulamaları için yeni cihazlar olabilir.”
Aynı zamanda UW Moleküler Mühendislik ve Bilimler Enstitüsü, Nano-Mühendislik Sistemleri Enstitüsü ve Temiz Enerji Enstitüsü üyesi olan Xu, “Çalışmamız uzun süredir aranan FQAH durumlarına dair net kanıtlar sunuyor.” dedi. “Şu anda sıfır manyetik alanda fraksiyonel uyarımların doğrudan ve kesin kanıtlarını sağlayabilecek elektriksel taşıma ölçümleri üzerinde çalışıyoruz.”
Ekip, yaklaşımlarıyla bu olağandışı FQAH durumlarını araştırmanın ve manipüle etmenin sıradan hale gelebileceğine ve kuantum hesaplama yolculuğunu hızlandıracağına inanıyor.
Kaynak: https://phys.org
Derleyen: Simge Kara