Pratik kuantum bilgisayarları oluşturma yarışı yeni bir aşamaya giriyor olabilir. Önde gelen teknolojilerden bazıları artık boyut kısıtlamalarıyla karşı karşıyadır ve diğerleri hızla arkadan gelmektedir.
Yıllardır önde gelen iki yaklaşım, fizikçilerin kısmen cihazları bir bilgisayarın bellek bitlerinin kuantum eşdeğeri olan daha fazla kübitle tıkayarak ilerleme kaydetmesini sağladı. Bu yöntemlerden biri, kubitleri süper iletken döngülerde çalışan akımlar olarak kodlar. Diğeri, elektromanyetik alanlar tarafından bir vakumda hapsolmuş bireysel iyonların uyarılmış hallerini kullanır.
Ancak son iki yılda, iyonların aksine tek nötr atomlardan oluşan ve lazer ışığından yapılmış ‘cımbızlarla’ tutulan kübitler birdenbire rekabetçi hale geldi. Ve daha da erken bir geliştirme aşamasında olan diğer teknikler, henüz yetişebilir.
Hollanda’daki Delft Teknoloji Üniversitesi’nde bir kuantum araştırma enstitüsü olan QuTech’te teorik fizikçi olan Barbara Terhal, “Süper iletken kübitler ve hapsolmuş iyon kübitleri, çoğu kübiti kontrol altında tutarak en gelişmiş deneyleri yaptı” diyor. “Ancak bu, bu platformların liderliğini sürdüreceğinin garantisi değil.”
Qubit arayışı
Kuantum bilgisayarlar, klasik makinelerin erişemeyeceği sorunları, örneğin hem saat yönünde hem de saat yönünün tersine dönen bir nesnenin iki eşzamanlı durumda var olabileceği kuantum süperpozisyon gibi olgulardan yararlanarak çözmeyi vaat ediyor. Fizikçiler, bu tür durumları yalnızca ‘0’ veya ‘1’ olabilen sıradan bitlerden ayırmak için kübitler olarak adlandırırlar.
Kuantum halleri herkesin bildiği gibi kırılgandır. Kuantum bir bilgisayarda, taşıdıkları bilgiler – ‘dolaşık’ durumlar oluşturmak için birkaç kübit boyunca uzanabilir – bir hesaplama ilerledikçe bozulma veya kaybolma eğilimindedir. Durumları mümkün olduğu kadar uzun süre korumak için kübitler çevreden izole edilmelidir. Ancak birbirlerinden çok fazla izole edilemezler çünkü hesaplamalar yapmak için etkileşime girmeleri gerekir.
Bu – diğer faktörlerin yanı sıra – kullanışlı bir kuantum bilgisayar oluşturmayı zorlaştırır. Ancak alan, QuTech araştırma direktörü Lieven Vandersypen’in on yıl önce bekleyeceğinden daha ileri gitti. “İlerleme aslında etkileyici.”
Google, 2019’da, 54 süper iletken kübitten oluşan bir makinenin, klasik bir bilgisayarda inanılmaz derecede uzun sürecek olan ilk kuantum hesaplamasını gerçekleştirdiğini iddia ettiğinde manşetlere çıktı; bu, araştırmacıların başarı olarak adlandırdığı bir başarıydı. kuantum avantajı. Süper iletken kübitlere büyük yatırımlar yapan teknoloji şirketi IBM, 1.000 kübit bariyerini ilk aşan Condor adlı bir kuantum çipini piyasaya sürerek önümüzdeki birkaç ay içinde bir dönüm noktasına ulaşmayı bekliyor.
Geçen Kasım ayında şirket, 127-qubit Eagle’ın devamı olan bir önceki çipi olan 433-qubit Osprey’i duyurdu. 2021’de rekor kıran. New York, Yorktown Heights’taki IBM Thomas J. Watson Araştırma Merkezi’nde kuantum bilgisayar programını yöneten Jerry Chow, “Yarı iletken endüstrisinden bekleyeceğiniz gibi bir yol haritası çizmeyi gerçekten istedik” diyor.
Nitelik ve nicelik
Chow, IBM’in amacının yalnızca kübit sayısını artırmak değil, aynı zamanda kalitelerini de artırmak olduğunu söylüyor. Şirketin bazı süper iletken elemanları, kuantum hallerini 300 mikrosaniyeden fazla tutabiliyor, diyor ki bu teknoloji için bir rekor. Bir başka önemli ölçüt olarak, iki kübit içeren işlemlerin %99,9’u artık hatasız.
Bir çip üzerindeki süperiletken kübitlerin sayısı 1.000’in çok üzerine çıktığında ölçek büyütme pratik olmaz çünkü her kübitin kontrol ve okuma için harici devrelere ayrı ayrı bağlanması gerekir. IBM bu nedenle modüler bir yaklaşım benimseyecektir. 2024’ten başlayarak, yol haritasındaki her bir adım, bir çip üzerindeki kübit sayısını artırmayı değil, birden çok çipi tek bir makineye bağlamayı amaçlayacaktır – bu, bağlantının kuantum durumlarını zarar görmeden taşıması veya yardımcı olması gerekiyorsa kolay olmayan bir şeydir. kübitleri ayrı çiplerde dolaştırmak için. Çipler, çipleri 0 kelvin’e yakın tutan kriyojenik sistemlerle kaplı devasa düzeneklerin kalbinde yer alır.
Kısmen her bir iyonu kontrol etmek için ayrı bir lazer cihazı gerektirdiklerinden, kapana kısılmış iyon bilgisayarları süper iletken bilgisayarlardan bile daha katı boyut kısıtlamalarına sahip olabilir. Tipik olarak bu, tuzakların çip başına yaklaşık 32 iyonluk sıralarla sınırlandırılması anlamına geliyordu. Ancak College Park’taki Maryland Üniversitesi’nden ayrılan yeni bir şirket olan IonQ, yaklaşımının birden fazla iyon sırasını tek bir çipte, belki de 1.024 kübite kadar ulaşmasını sağladığını söylüyor. Bunun ötesine geçmek için IonQ, birden çok yongayı birbirine bağlayan modüler bir yaklaşıma geçmeyi de planlıyor. Şirketin bir sözcüsüne göre, laboratuvar deneylerinde, hapsolmuş iyonların doğruluğu %99,99’a kadar ulaştı.
Cımbız teknolojisi
Birkaç yıl öncesine kadar neredeyse hiç dikkat çekmeyen başka bir teknik, yakında 1.000 kübit bariyerini de aşabilir. Nötr atomları, optik cımbız adı verilen sıkı odaklanmış lazer ışınlarını kullanarak yakalar ve atomların elektronik hallerinde veya atom çekirdeğinin dönüşlerinde kübitleri kodlar. Cambridge, Massachusetts’teki Harvard Üniversitesi’nde fizikçi olan Giulia Semeghini, yaklaşımın on yıldan fazla bir süredir kademeli olarak geliştiğini, ancak şimdi “patlama” gösterdiğini söylüyor.
Birden fazla kübiti bir araya getirmek için fizikçiler, tek bir lazer ışınını, örneğin sıvı kristallerden yapılmış bir ekrandan geçirerek birçok parçaya bölerler. Bu, her biri kendi atomunu yakalayan yüzlerce cımbız dizisi oluşturabilir. Atomlar tipik olarak komşularından birkaç mikrometre uzaktadır ve burada birkaç saniye veya daha uzun süre kuantum durumunda kalabilirler. Fizikçiler, atomları etkileşime sokmak için atomlardan birine ayrı bir lazer yönelterek onu uyarılmış bir duruma sokar; burada bir dış elektron, çekirdekten normalden çok daha uzakta yörüngede döner. Bu, atomun bir komşu ile elektrostatik etkileşimlerini artırır.
Araştırmacılar cımbız kullanarak 200’den fazla nötr atomdan oluşan diziler oluşturdular ve bunları tamamen çalışan kuantum bilgisayarlara dönüştürmek için yeni ve mevcut teknikleri hızla birleştiriyorlar.
Tekniğin en büyük avantajlarından biri, fizikçilerin, bazıları hızla hareket edebilen çok sayıda cımbızı taşıdıkları atomlarla birleştirebilmeleridir. Harvard fizikçisi Dolev Bluvstein, “İkisinin etkileşime girmesini istediğiniz her seferinde, onları bir araya getiriyorsunuz” diyor. Bu, tekniği, her kübitin yalnızca çip üzerindeki doğrudan komşularıyla etkileşime girebildiği süper iletkenler gibi diğer platformlardan daha esnek hale getirir. Semeghini ve Bluvstein’ın da dahil olduğu bir ekip, bu esnekliği Nisan 2022 tarihli bir makalede gösterdi..
Semeghini, cımbız tabanlı kübitlerin yakında %99 hatasız olması gerektiğini, ancak daha fazla iyileştirmenin önemli ölçüde çalışma gerektireceğini söylüyor.
Nötr atomlardaki gelişme hızı, kuantum hesaplama topluluğunu şaşırttı. Hefei’deki Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden (USTC) fizikçi Chao-Yang Lu, “Binlerce atomik kübite ölçeklendirmenin yolu açık ve muhtemelen iki yıl içinde gerçekleşecek” diyor.
Döndürme kontrolü
Diğer qubit teknolojileri henüz emekleme aşamasında, ancak istikrarlı bir şekilde ilerliyor. Yöntemlerden biri, geleneksel yarı iletkenler içindeki elektrik alanları tarafından hapsolmuş bireysel elektronların dönüşündeki bilgileri kodlar. silikon gibi. Geçen yıl, Vandersypen ve işbirlikçileri, bu türden tamamen çalışan altı kübitlik bir makine sergilediler.2. Optik cımbızlarda olduğu gibi, elektron dönüşleri, talep üzerine diğerlerinin yanına getirmek için cihazın etrafında mekik dokulabilir. Ancak tıpkı diğer kübit türlerinde olduğu gibi, fizikçilerin karışma dedikleri olayda, spinlerin olmaması gerektiği halde birbirlerini etkilemelerini engellemek büyük bir zorluktur.
Yarı iletken tabanlı kübitlerin yararı, mevcut bilgisayar çiplerinin üretildiği aynı tür fabrikada çip yapma yeteneği olacaktır, ancak Avustralya’nın Sidney kentindeki New South Wales Üniversitesi’nden fizikçi Michelle Simmons liderliğindeki bir ekip cihazları bir araya getiriyor. otomatik bir taramalı tünelleme mikroskobunun ucunu kullanarak atom atom. “Her şey nanometrenin altında bir hassasiyetle şekillendirildi” diyor.
Yine başka bir yaklaşım henüz kavramsal aşamadadır, ancak özellikle Microsoft tarafından önemli miktarda yatırım almıştır. Teknik, tıpkı bükülebilen ve çekilebilen ancak çözülemeyen düğümlü bir ip gibi, kübitleri bozulmaya karşı dayanıklı hale getirmek için ‘topolojik durumlardan’ yararlanmayı amaçlıyor. 2020 yılında araştırmacılar temel fiziksel mekanizmayı gözlemledi bir tür topolojik koruma için ve şimdi ilk topolojik kübitleri göstermek için çalışıyorlar.
Vandersypen, “Bugün takip edilen her platformun bazı vaatleri var, ancak onu geliştirmek gerçekten tahmin edemeyeceğiniz kadar yeni fikirler gerektirebilir” diyor. USTC’de çoklu kuantum hesaplama yaklaşımları üzerinde çalışan bir fizikçi olan Pan Jian-Wei de aynı fikirde. Kuantum bilgisayarları geliştirme yarışı söz konusu olduğunda, “hangi adayın kazanacağını söylemek için henüz çok erken”.
Bu makale izin alınarak çoğaltılmıştır ve ilk yayınlanan 6 Şubat 2023’te.
Kaynak : https://www.scientificamerican.com/article/underdog-technologies-gain-ground-in-quantum-computing-race/