Aşı ve ilaç geliştirme, yapay zeka, ulaşım ve lojistik, iklim bilimi – bunların tümü, tam ölçekli bir kuantum bilgisayarın geliştirilmesiyle dönüştürülecek alanlardır. Ve son on yılda kuantum hesaplama yatırımında patlayıcı bir büyüme oldu.
Yine de mevcut kuantum işlemcileri , bir kuantum bilgisayarın temel yapı taşları olan 100 kübitten daha azıyla, nispeten küçük ölçeklidir . Bitler, bilgi işlemdeki en küçük bilgi birimidir ve kübit terimi “kuantum bitlerinden” kaynaklanır.
Erken kuantum işlemciler, kuantum hesaplamanın potansiyelini göstermek için çok önemli olsa da, küresel olarak önemli uygulamaların gerçekleştirilmesi muhtemelen bir milyon kübitin üzerinde işlemciler gerektirecektir .
Yeni araştırmamız, kuantum bilgisayarların ölçeğini büyütmenin kalbindeki temel bir sorunu ele alıyor: sadece birkaç kübiti kontrol etmekten milyonları kontrol etmeye nasıl geçebiliriz? Science Advances’te bugün yayınlanan araştırmada , çözüm sunabilecek yeni bir teknoloji ortaya çıkıyor.
Kuantum bilgisayar tam olarak nedir?
Kuantum bilgisayarlar, kuantum bilgilerini tutmak ve işlemek için kübitleri kullanır. Klasik bilgisayarlardaki bilgi bitlerinin aksine, kübitler, bazı hesaplamaları klasik muadillerinden çok daha hızlı gerçekleştirmek için doğanın “süperpozisyon” ve “dolanıklık” olarak bilinen kuantum özelliklerini kullanır.
0 veya 1 ile temsil edilen klasik bir bitin aksine, bir kübit aynı anda iki durumda (yani 0 ve 1) var olabilir. Süperpozisyon durumu olarak adlandırdığımız şey budur.
Google ve diğerleri tarafından yapılan gösteriler, mevcut, erken aşamadaki kuantum bilgisayarların bile, son derece uzmanlaşmış (özellikle yararlı olmasa da) bir görev için gezegendeki en güçlü süper bilgisayarlardan daha iyi performans gösterebileceğini gösterdi – kuantum üstünlüğü dediğimiz bir dönüm noktasına ulaştı.
Google’ın süper iletken elektrik devrelerinden inşa edilen kuantum bilgisayarı sadece 53 kübite sahipti ve yüksek teknolojili bir buzdolabında -273 ℃’ye yakın bir sıcaklığa soğutuldu. Bu aşırı sıcaklık, kırılgan kübitlerde hatalara neden olabilecek ısıyı gidermek için gereklidir. Bu tür gösteriler önemli olsa da, şimdiki zorluk, çok daha fazla kübit içeren kuantum işlemciler oluşturmaktır.
UNSW Sydney’de, kuantum bilgisayarları günlük bilgisayar çiplerinde kullanılanla aynı malzemeden yapmak için büyük çabalar sürüyor: silikon. Geleneksel bir silikon çip, küçük resim boyutundadır ve birkaç milyar bitte paketlenir, bu nedenle bu teknolojiyi bir kuantum bilgisayarı oluşturmak için kullanma olasılığı zorlayıcıdır.
Silikon kuantum işlemcilerde bilgi, çip yüzeyindeki küçük elektrotların altında tutulan bireysel elektronlarda depolanır. Spesifik olarak, kübit elektronun dönüşüne kodlanmıştır . Elektronun içinde küçük bir pusula olarak resmedilebilir. Pusulanın ibresi, 0 ve 1 durumlarını temsil eden kuzeyi veya güneyi gösterebilir.
Tüm kuantum hesaplamalarında meydana gelen bir işlem olan bir süperpozisyon durumunda (hem 0 hem de 1) bir kübit ayarlamak için , bir kontrol sinyalinin istenen kübite yönlendirilmesi gerekir. Silikondaki kübitler için bu kontrol sinyali, bir 5G ağı üzerinden telefon görüşmelerini taşımak için kullanılanlara çok benzeyen bir mikrodalga alanı biçimindedir. Mikrodalgalar elektronla etkileşir ve spininin (pusula iğnesinin) dönmesine neden olur.
Şu anda, her kübit, kendi mikrodalga kontrol alanını gerektirir. Oda sıcaklığından buzdolabının dibine kadar -273℃’ye yakın bir sıcaklıkta uzanan bir kablo aracılığıyla kuantum çipe iletilir. Her kablo, kuantum işlemciye ulaşmadan önce çıkarılması gereken ısıyı beraberinde getirir.
Bugün son teknoloji olan yaklaşık 50 kübitte bu zor ama yönetilebilir. Mevcut buzdolabı teknolojisi, kablo ısı yükü ile başa çıkabilir. Ancak, bir milyon kübit veya daha fazlasına sahip sistemler kullanacaksak, bu büyük bir engel teşkil ediyor.
Çözüm ‘küresel’ kontroldür
1990’ların sonlarında milyonlarca spin kübitine kontrol sinyallerinin nasıl iletileceği sorununa zarif bir çözüm önerildi . “Küresel kontrol” fikri basitti: tüm kuantum işlemcisi boyunca tek bir mikrodalga kontrol alanı yayınlayın.
Voltaj darbeleri, bireysel kübitlerin küresel alanla etkileşime girmesini sağlamak (ve süperpozisyon durumları üretmek) için kübit elektrotlarına yerel olarak uygulanabilir.
Bu tür voltaj darbelerini çip üzerinde üretmek, birden fazla mikrodalga alanı oluşturmaktan çok daha kolaydır. Çözüm, yalnızca tek bir kontrol kablosu gerektirir ve çip üzerindeki rahatsız edici mikrodalga kontrol devresini ortadan kaldırır.
Yirmi yıldan fazla bir süredir kuantum bilgisayarlarda küresel kontrol bir fikir olarak kaldı. Araştırmacılar, bir kuantum çipi ile entegre edilebilecek ve uygun şekilde düşük güçlerde mikrodalga alanları oluşturabilecek uygun bir teknoloji tasarlayamadılar.
Çalışmamızda, dielektrik rezonatör olarak bilinen bir bileşenin nihayet buna izin verebileceğini gösteriyoruz. Dielektrik rezonatör, mikrodalgaları kısa bir süre için hapseden küçük, şeffaf bir kristaldir.
Rezonans olarak bilinen bir fenomen olan mikrodalgaların yakalanması, onların spin kübitleriyle daha uzun süre etkileşime girmesine izin verir ve kontrol alanını oluşturmak için gereken mikrodalgaların gücünü büyük ölçüde azaltır. Bu, buzdolabının içindeki teknolojiyi çalıştırmak için hayati önem taşıyordu.
Deneyimizde, dört milyona kadar kübit içerebilecek bir alan üzerinde bir kontrol alanı oluşturmak için dielektrik rezonatörü kullandık. Bu gösteride kullanılan kuantum çipi, iki kübitli bir cihazdı. Kristal tarafından üretilen mikrodalgaların her birinin dönüş durumunu değiştirebileceğini gösterebildik.
Tam ölçekli bir kuantum bilgisayara giden yol
Bu teknolojinin bir milyon kübiti kontrol etme görevine gelmesinden önce yapılması gereken daha çok iş var. Çalışmamız için, kübitlerin durumunu tersine çevirmeyi başardık, ancak henüz keyfi süperpozisyon durumları üretmedik.
Bu kritik yeteneği göstermek için deneyler devam etmektedir. Ayrıca, dielektrik rezonatörün kuantum işlemcinin diğer yönleri üzerindeki etkisini daha fazla incelememiz gerekecek.
Bununla birlikte, bu mühendislik zorluklarının nihayetinde üstesinden gelinebileceğine inanıyoruz – büyük ölçekli bir spin tabanlı kuantum bilgisayarı gerçekleştirmenin en büyük engellerinden birini ortadan kaldırıyoruz.