Verilerin tek bir atomda saklanabileceği süredeki çarpıcı artış, silikonun süper hızlı bilgisayarların geliştirilmesinde bir kez daha hayati bir rol oynayabileceği anlamına geliyor.
Silikon çip, 1950’lerde icat edildiğinden bu yana günlük yaşamın birçok alanında devrim yarattı. Birbirimizle iletişim kurma şeklimizi ve arabalardan uçaklara, buzdolaplarından televizyonlara, akıllı telefonlarımıza ve tabletlerimize kadar neredeyse tüm günlük eşyaları kullanma şeklimizi değiştirdi.
Bunun nedeni, silikonun, her bir silikon çipin içine tıkıştırılmış milyarlarca transistör gibi, göz kamaştırıcı bir dizi karmaşık elektronik yapı ve cihaza “hazırlanabilmesi”dir.
Modern bilgisayarlar bir dizi karmaşık hesaplama yapmak için bu silikon yongaları (veya tümleşik devreleri) kullanırken, mevcut bilgisayarların çözemediği bazı önemli sorunlar hala var.
Örneğin, tıp araştırmacıları, tıpkı otomotiv mühendislerinin yeni arabalar tasarlama şekline benzer şekilde, bilgisayar destekli tasarımla yeni ilaçlar icat etmeyi çok isterdi, ancak bugün bunu yapamıyorlar.
Bunun nedeni, ilacı oluşturan moleküllerin araba gibi “makro” nesneler olmayıp, hesaplaması çok daha karmaşık olan “mikro” ya da kuantum dünyasında yaşamalarıdır.
Aslında, bugün bildiğimiz hiçbir bilgisayar bu tür moleküler sistemleri gerektiği gibi tasarlayamaz. Bu yüzden , hesaplamalar için kullanılan veri “bitlerinin” kendilerinin tek tek atomlar veya elektronlar gibi kuantum parçacıklarında depolandığı yeni bir tür bilgisayara – bir kuantum bilgisayara – yönelmeliyiz.
Bu tür kuantum bilgisayarların, büyük veri kümelerini arama veya karmaşık finansal sorunları çözme gibi diğer önemli sorunları da çözebilmesi bekleniyor .
En iyi kübit arayışı
Son yirmi yıldır, dünyanın dört bir yanındaki araştırmacılar, böyle bir kuantum bilgisayarda “kuantum bitleri” olarak işlev görecek bir dizi farklı fiziksel sistemi araştırıyorlar. Şimdi, önceki bilgi devriminin temelini oluşturan silikonun, bir sonraki kuantum devriminin anahtarını sağlayabileceği görülüyor.
Son üç yılda, UNSW’deki iki araştırma ekibimiz silikonun işleyen kuantum bitleri veya kübitler yapmak için kullanılabileceğini gösterdi. Özellikle tek bir fosfor atomunun, kuantum biti olarak kullanılabilecek bir “spin” (küçük bir mıknatıs gibi) taşıyan bir elektronu sıkıca tutmak için kullanılabileceğini bulduk . Ancak elektron dönüşünde depolanan ikili kod (0 veya 1) çok hızlı bir şekilde karıştı ve oldukça zayıf bir kübit yaptı.
Fosfor atomunun çekirdeği ayrıca , çevreleyen ortamda mevcut olan gürültüye karşı çok zayıf duyarlılığı sayesinde mükemmel bir bellek depolama kübiti görevi görebilecek bir nükleer spin içerir.
Öyle olsa bile, “doğal” bir silikon çipin içine yerleştirildiğinde, bir fosfor nükleer dönüşü, üzerinde kodlanmış kuantum bilgisini bir saniyeden daha kısa sürede kaybeder.
Depolama süresi arttı
Nature Nanotechnology’de yayınlanan yeni araştırma – gruplarımızdan iki makale ve bir Hollanda-ABD işbirliğinden – silikon kübitlerin doğruluğunun ve ömrünün artık onları büyük ölçekli kuantum bilgisayarların üretimi için uygun hale getiren bir alanda olduğunu gösteriyor.
Avustralya’daki ekiplerimiz, Si-28 adı verilen yalnızca bir izotop içeren özel olarak saflaştırılmış bir silikon türü kullandı .
Bu izotop tamamen manyetik değildir çünkü çekirdeğinin dönüşü yoktur. Saflaştırılmış Si-28 çipinin elektriksel özellikleri, doğal silikonunkilerle aynıdır ve bu nedenle herhangi bir elektronik cihaz için eşit derecede iyi çalışır.
Ancak saf Si-28 içinde bir elektron veya nükleer spin kübiti yapılandırıldığında, manyetik gürültünün olmaması, kuantum durumunu benzeri görülmemiş bir doğrulukla saklamamıza ve manipüle etmemize izin verir.
Yeni makalelerden birinde ekibimiz, çipin yüzeyindeki küçük metalik elektrotlar tarafından oluşturulan “yapay bir atomda” tutulan tek bir elektron üzerinde kuantum mantık işlemleri yapabileceğimizi gösterdi.
Bu cihazlar, mevcut silikon transistörlere oldukça benzer ve ticari üretim için büyük umut vaat ediyor. Ultra saf Si-28 sayesinde artık kuantum işlemlerinin doğruluğu %99’un çok üzerinde bir seviyeye ulaşabiliyoruz. Bu doğruluk önemlidir, çünkü (nadir) hataların özel kodlar kullanılarak düzeltilmesini sağlamak için minimum gereksinimi aşmaktadır.
Ayrı bir makalede , aynı Si-28 malzemesinde bir fosfor “doğal atomu” tarafından tutulan elektron dönüşü üzerindeki işlemler için %99’un üzerinde benzer bir doğruluk rapor ediyoruz.
Ek olarak, fosforun nükleer dönüşüyle, kuantum bilgisinin katı halde bir kuantum biti üzerinde ne kadar süreyle tutulabileceği konusunda yeni dünya rekoru kırdık: kuantum dünyasında bir sonsuzluk olan 35 saniyenin üzerinde. İşlemlerin doğruluğu şaşırtıcı bir şekilde %99,99 idi.
Artık bir silikon elektronik cihaz içinde gösterilen enfes kuantum bitleriyle, işlevsel kuantum bilgisayarları inşa etmek çok daha gerçekçi bir olasılık haline geldi. Yeni kuantum devrimi, eski, güvenilir ve her yerde hazır bulunan silikon mikroçip üzerine inşa edilebilir.