Araştırmacılar, voltaj darbelerinin yakındaki elektron spinlerinin yer değiştirmesine neden olduğu bir düzenekte bir kuantum kapısının nasıl çalıştırılacağını gösterdiler.
Yirmi yıl önce teorik araştırmacılar, hassas spin tabanlı kübitleri gürültülü girdilerin neden olduğu bozunumdan korumak için bir yöntem önermişlerdi. Yakındaki elektronların spin durumlarını değiştirerek, kübitlerdeki bilgileri şifrelemek amaçlanıyordu. Tipik olarak yapıldığı gibi spinleri çevirmek yerine, bu değiştirme prosedürü sistemden daha fazla enerji gerektirmeyecektir. Bu tasarım şimdi Kaliforniya’daki HRL Laboratuarlarındaki araştırmacılar tarafından elektrikle kontrol edilen silikon tabanlı bir platformda uygulandı. Geçen hafta APS Mart Konferansı’nda sergilenen prototipleri, her türlü kuantum hesaplama işlemini yürütebilen düşük hatalı bir mantık kapısını gösteriyor.
Kübitlerin Spin Yönünün Değiştirilmesi
Bir kübit tipik olarak “0” veya “1” durumlarına sahip tek bir spindir ve spinin uygulanan manyetik alana göre nasıl hizalandığına bağlı olarak enerji bakımından farklılık gösterir. Sistemdeki enerji değişiklikleri kubiti kontrol etmek için kullanılabilir. Bu genellikle kübitin enerji seviyesi bölünmesine karşılık gelen bir frekansta kübitin mikrodalga fotonlarla ışınlanmasıyla gerçekleştirilir. Buna yanıt olarak, kübitin spini yön değiştirir ve bir açma-kapama anahtarı gibi davranır. Kübit, mikrodalga radyasyonundaki veya manyetik alandaki küçük homojensizliklerin (gürültü) bir sonucu olarak kuantum bilgisini kaybetme eğilimindedir. Bu yaklaşım iyi bilinmektedir, ancak dekoherans sorunu yaşamaktadır.
Buna karşılık ekibin yöntemi, “0” ve “1” durumlarında aynı enerjiye sahip spin tabanlı bir kubitle sonuçlanıyor. Burada kübit durumları, kübitteki iki elektron spininin spin dalga fonksiyonlarının simetrik (“1”) veya antisimetrik (“0”) olup olmadığını gösterir. Yakındaki spinleri belirli bir yönde hizalamadan yönlerini “değiştiren” voltaj darbeleri bu durumlar üzerinde kontrol sağlar. İki dalga fonksiyonu simetrik olduğunda, bu enerji tasarrufu sağlayan değiş tokuşlarla hiçbir şey değişmez, ancak dalga fonksiyonları antisimetrik olduğunda, -1’lik bir kuantum fazı eklerler. Ancak bu değiş tokuşlar esasen kısmi değiş tokuşlardır; voltaj darbesi değiş tokuşun gerçekleşmesine izin verecek şekilde ayarlanmıştır, ancak gerçekleşmeme ihtimali de vardır.
HRL ekip üyesi Thaddeus Ladd, “Kısmi takas, bizi ‘takas edildi’ ve ‘takas edilmedi’ süperpozisyonunda bırakan bir kuantum işlemidir” diye açıklıyor. O ve ekibi, karmaşık bir dizi kısmi takas yoluyla bir elektron spinleri koleksiyonuna bilgi kodluyor.
HRL ekibi deney için altı silikon kuantum noktasından iki farklı kübit oluşturdu. Her bir nokta tarafından hapsedilen tek elektron, metal kapılara gönderilen voltaj darbeleri aracılığıyla çevresindeki spinlerle etkileşime giriyor. Araştırmacılar iki kubit ile CNOT ve SWAP olmak üzere iki kuantum işlemi gerçekleştirdiler. Bu, altı spin boyunca kısmi takasların karmaşık dizilerinde saniyede yüz milyon kez açılıp kapanmak için dikkatle düzenlenmiş binlerce voltaj darbesi gerektirdi.
Bu prosedürler, yaklaşık %97’lik bir “doğruluk” ile kanıtlandığı gibi düşük ölçülen hatalara sahiptir. Ladd, “İyi bir matematik dozuyla, spinlerin kısmi olarak yer değiştirmesine dayanan bu [tekniğin], birçok spinden oluşan istenen, kısıtlı bir durum kümesi üzerinde herhangi bir kuantum işlemi yapmak için yeterli olduğu gösterilebilir” diye ekliyor.
Geleneksel tek spinli kübitlerle karşılaştırıldığında, bu yöntemin iki önemli avantajı var. İkinci olarak, manyetik alanları ve faz yanlış hizalamalarını düzenlemek için çeşitli donanım entegrasyonu gereksinimini ortadan kaldırıyor. Ayrıca mikrodalga girişinin neden olduğu çapraz karışmayı da önler. Bu avantajlar mikroskobik hata kaynaklarını azaltır ve kübit kontrolünün kalitesini yükseltir.
Bunun karşılığında her bir temel işlem uzun ve karmaşık bir dizi darbe gerektiriyor ve her bir kübit tek bir kübit üretmek için üç kuantum noktası gerektiriyor. Ladd’e göre, cihazın donanım ve yazılımını oluşturmak basit bir iş değildi.
Araştırmacılar, yeni altı noktalı cihazlarını (tek katmanlı aşındırma tanımlı kapı elektrodu) oluşturmak için SLEDGE adı verilen ve üzerinde çalıştıkları bir yöntemi kullandılar. Bu sistem, elektron ışını kullanarak nokta şeklindeki kapıları bir düzlem üzerine desenliyor ve ardından kapıları metal uçlarla birbirine bağlıyor. Laboratuvardaki yeni ekipman, Avustralya’daki New South Wales Üniversitesi’nden kuantum fizikçisi Andrea Morello’yu çok etkilemiş.
Morello’ya göre, araştırmacılar kuantum noktalarını o kadar hassas bir doğruluk ve tekrarlanabilirlikle oluşturabildiler ki, HRL’nin son teknoloji cihaz üretim yetenekleri sayesinde karmaşık altı noktalı bir sistem bile tutarlı davranış sergiledi.
Ladd, milyonlarca kübit birbiriyle iletişim kurana kadar bu tekniğin etkili bir kuantum hesaplamayı mümkün kılmayacağını belirtiyor. HRL’nin kavram kanıtı mikrodalga kontrolüyle ilgili pek çok sorunu ortadan kaldırsa da, sistemin soğukluğunu korumak ve daha fazla kübit eklendikçe zorlaşacak olan kazınmış kuantum nokta desenlerinde homojenliği garanti etmek gibi bazı zorluklar hala var. “Kübit tasarımımızın en büyük, en hızlı ya da en akıllıca tasarım olduğunu söylemiyorum.
Ancak bunun en ilgi çekici olanlardan biri olduğuna inanıyorum, çünkü kısmen hesaplamanın temel sorusuyla, yani bir hesaplamayı gerçekleştirmek için enerji girdisinin gerekli olup olmadığı sorusuyla ilgili” diyor Ladd.
Morello, takas stratejisinin kübitlerin tipik olarak kullanılma biçiminde önemli ayarlamalar gerektireceğini ileri sürüyor, ancak mikrodalga sinyallerine olan gereksinimi ortadan kaldırmanın kübit kontrolünü kolaylaştırabileceğine dair “zorlayıcı” bir durum yaratılabileceğine inanıyor. Kuantum işlemcinin daha da fazla kubite genişletilmesinin, bu cesur kararın işe yarayıp yaramadığını gelecekte ortaya çıkaracağını iddia ediyor.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v16/46
