Silikon devreye ilk “kuantum biti” yazdılar, kuantum bilgisayar çağını başlattılar

kuantum bilgisayarlar, bilgisayar kadar hızlı işlem yapan ve aynı zamanda insan gibi düşünebilen geleceğin bilgisayarları olarak gösteriliyor. Avustralya Melbourne Üniversitesi ve Londra, College Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, kuantum bilgisayar geliştirmek için silikon devreye ilk “kuantum biti” yazmayı başardılar.

Kuantum bilgisayarlar, klasik bilgisayarların tersine, işlem yaparken 1 ve 0 değerleriyle birlikte ara değerleri de alabiliyor. Sıcak ve soğuk kavramlarının yanı sıra “ılık” kelimesinin de anlamını çözebilen kuantum bilgisayarlar, insan gibi düşünme ve yorum yapma potansiyeline sahip bulunuyor.

Yazının devamında kuantum bilgisayarların çalışma prensibini teknik detaylarıyla anlatılıyorum.

Araştırmacılar, dünyanın ilk kuantum devrelerini üretmek için sıradan bir silikon devre ile işe başladı. Silikon çipin üzerinde bulunan bir fosfor atomunu kullanan bilim adamları, fosfor atomunun etrafında dönen bir elektronun “manyetik yönelimini”, yani “spin değerini” değiştirdiler. Elektronların spin değeri kuantum bilgisayarlara veri kaydetmekte kullanıldı.

Elektronlar kendi etrafında dönüyor
Elektronlar topaç gibi kendi çevresinde dönüyor (rotasyon). Elektron rotasyonuna fizikte “spin” diyoruz ve bu spinin bir yönü var: Bir elektron soldan sağa veya sağdan sola dönebilir.

Elektronlar aynı zamanda elektrik akımlarını meydana getiriyor ve manyetik alanlar oluşturuyor. Elektronların manyetik alanları, elektronların çevresinde portakal dilimlerini andıran manyetik çizgiler oluşturuyor (tıpkı okul sıralarında kullandığımız kürelerin üstündeki paraleller gibi).

Kendi etrafında dönen elektronlar manyetik alan üretiyor
Bir elektron sağdan sola döndüğünde, manyetik alan çizgileri, elektronun güney kutbundan kuzey kutbuna hareket ediyor (spin yukarı). Elektron soldan sağa döndüğünde ise, bu çizgiler kuzey kutbundan güney kutbuna hareket ediyor (spin aşağı). Elektronlar bir atomun yörüngesinde spin yukarı veya spin aşağı durumunda bulunabiliyor.

Kuantum bilgisayarlar veriyi “qubitler” halinde işliyor. Peki qubit ne demek?
Kuantum bilgisayarlar yukarı spin, aşağı spin veya “hem yukarı hem de aşağı durumda aynı anda bulunan” elektron spinine veri kaydedebiliyor. Bu yüzden kuantum bilgisayarların temel veri birimine “bit” değil, “qubit” diyoruz. Klasik bilgisayarlarda bir veri biti (temel veri birimi) 1 veya 0 olarak kaydediliyor. Örneğin açık kapı veya kapalı kapı… Kuantum bilgisayarlarda ise qubitler hem 1 hem de 0 değerini aynı anda alabiliyor: Kapı ne açık ne kapalı > Kapı ARALIK. Sağduyuya aykırı bir durum ama gerçek.

Şimdi elektron spinlerini değiştirerek işlem yapan kuantum bilgisayarların nasıl çalıştığını anlatalım.

Elektronlara yazı yazmak
Bilim adamları önce basit bir silikon devre ürettiler. Bu silikon devrenin üzerinde sadece spin yukarı durumundaki elektronları yakalayan özel bir silikon transistor vardı (transistorlar bilgisayar işlemcilerinde kullanılıyor). Böylece bilim adamları, fosfor atomundan kopan ve transistora giren elektronun, “spin yukarı” durumunda olduğundan emin olabildiler. Araştırmacılar, daha sonra, transistordaki elektronu spin aşağı durumuna soktu. Böylece elektrona bir “qubitlik” veri kaydetmiş oldular. Peki elektrona veri kaydetmek için bu kadar dolambaçlı bir yola ne gerek vardı? Transistor olmadan, neden doğrudan elektrona yazı yazmadılar?

Bunu kuantum dünyasının garipliklerine borçluyuz
Kuantum fiziğinde bir demir atomu elektronunun, bir bakır atomu elektronundan fiziksel olarak hiçbir farkı yoktur. Elektronlar yalnızca yörünge, spin durumu gibi uzayda konum ve yön bildiren 4 kuantum sayısı ile birbirinden ayrılır. Bu bağlamda, elektronlar diğer elektronlar ve atomlarla etkileşerek yön / konumla ilgili bir seçim yapar ve spin yukarı veya spin aşağı durumunda bulunurlar. Peki bir elektron uzayda tümüyle yalnız olsaydı, hiçbir atom ve elektronla etkileşime girmeseydi ne olacaktı? Spin yukarı durumda mı, yoksa spin aşağı durumda mı olacaktı?

Kuantum fiziğine göre her iki durumda birden olacaktı. Hiçbir maddeyle etkileşime girmediği için seçim yapmamış ve karar vermemiş olacaktı. Tekrar edecek olursak, kuantum fiziğinde elektronlar yapısal olarak birbirinin aynıdır. Yalnızca spin durumu gibi kuantum sayıları farklıdır ve hiçbir parçacıkla etkileşime girmeyen bir elektron, aynı anda hem spin yukarı hem de spin aşağı durumunda bulunacaktır. Bu yüzden kuantum bilgisayarlarda qubitler aynı anda hem 1 hem de 0 değerini alabilir.

Heisenberg’in Belirsizlik İlkesi
Heisenberg’in Belirsizlik İlkesine göre bir elektronun konumunu ve hızını aynı anda yüzde 100 kesinlikle bilmek imkansızdır. Kuantum bilgisayar geliştiren bilim adamları da bu yüzden doğrudan elektronlara bakarak yazı yazamazlar. Çünkü bir elektrona baktıklarında, o elektron gözlemciyle etkileşime girerek spin durumunu değiştirir. Harflerin sürekli değiştiği bir alfabede yazı yazmak imkansızdır.

Kuantum bilgisayar geliştiren bilim adamlarının elektronlara yazı yazmadan önce bu güçlüğü aşması gerekiyordu. Bunun için yazı yazacakları elektronun spin durumunu önceden bilmek zorundaydılar. Bilim adamları başlangıç olarak spin yukarı durumundaki bir elektron seçmeye karar verdiler. Bu elektronu spin aşağı duruma geçirerek yazı yazacaklardı.

Araştırmacılar bunun için yalnızca spin yukarı durumdaki elektronlarla çalışan bir transistor yaptılar. Bu transistor sadece yukarı yönelimli manyetik alan üreten elektronlara duyarlıydı. Böylece spin yukarı duruma sahip elektronları seçmek ve bu elektronları spin aşağı duruma geçirerek yazı yazmak mümkün oldu. Spin aşağı duruma geçen elektron okunduğu zaman, spin yukarı duruma geri dönerek tekrar yazılmaya hazır hale geliyordu.

Bilim adamları böylece basit bir silikon devreye dünyanın ilk elektron “qubitini” kaydetmiş oldular. Ancak, bu daha başlangıç. Sırada iki elektron qubitini eşleştirerek bir “mantık kapısı” oluşturmak var. Böylece 2 + 2 = 4 gibi basit bir aritmetik işlemini yapan dünyanın ilk kuantum bilgisayarını üretmiş olacaklar.

Sağda: Fosfor atomunun ilüstrasyonu. Kırmızı küre fosfor atomu… Bu atomu bir elektron “bulutu” kuşatıyor. Resimdeki ok, elektronun spin yönünü gösteriyor. Açık mavi renkle gösterilen mikrodalga radyasyonu, elektron spinini değiştirerek yazı yazmakta kullanılıyor. Solda: Elektron spininin şeması.

http://www.theregister.co.uk/2012/09/20/working_silicon_qubit/