Süper iletken devrelere dayalı kuantum hesaplamada, sol ve sağ yayılım modlarıyla seçici etkileşim, yönlü bilgi akışını mümkün kılabilir.
Karşılıklılık kavramı, bir kaynak bir nesneden saçılan bir dalga yaydığında ve daha sonra bir dedektör tarafından algılandığında, kaynak ve dedektör değiştirilirse ölçülen sinyalin değişmeyeceğini ileri sürer. Bu simetri tüm fiziksel sistemlerin temel bir özelliği olmasına rağmen, bazı durumlarda sorunlu olabilir. Örneğin, sinyallerin bir yönde geçmesine izin veren ancak diğer yönde geçmesine izin vermeyen bir cihaz olan bir izolatör tasarlamak için karşılıklılığın bozulması gerekir. “Kiralite” ya da emisyon veya absorpsiyonlarının tercih edilen yönü ile tanımlanabilen bu karşılıklı olmayan cihazlar, çeşitli endüstrilerde kullanışlıdır.
Kiralite Nedir?
Eğer bir nesne ya da sistem aynadaki benzerinden ayırt edilebiliyor ve üzerine bindirilemiyorsa, o zaman kiraldir. Öte yandan, akiral bir nesnenin ayna görüntüsünü gerçek nesneden, örneğin bir küreden ayırmak mümkün değildir. Yunancada “zıt formlar” anlamına gelen enantiyomorflar veya moleküller söz konusu olduğunda enantiyomerler, kiral nesneler ve bunların ayna görüntüleridir. Akiral bir maddeyi aynadaki karşılığının üzerine yerleştirmek mümkündür. Buna bazen amfikiral nesne de denir.
1893 yılında Oxford Üniversitesi Genç Bilim Kulübü’ne verdiği ve daha sonra 1894 yılında yayınlanan ikinci Robert Boyle Dersi’nde Lord Kelvin bu ifadeyi ilk kez kullanmıştır.
İfadesi şöyledir;
“Herhangi bir geometrik nesne ya da nokta grubunu “kiral” olarak adlandırıyorum ve bir düzlem aynadaki idealize edilmiş yansımasının kendisiyle çakışması sağlanamıyorsa bir şeyin kiral olduğunu iddia ediyorum.”
Haberimize tekrardan dönersek;
Kuantum hesaplamada kullanılan süper iletken elektrik devreleri, her birinin dezavantajları olmasına rağmen, son zamanlarda karşılıklı olmayan cihazlarla donatıldı. Şimdi ise Chaitali Joshi ve California Teknoloji Enstitüsü’ndeki meslektaşları tarafından bir mikrodalga dalga kılavuzunda yalnızca sola ya da sağa hareket eden sinyallere bağlanabilen süper iletken bir devreden oluşan bir “yapay atom” yaratıldı. Bir dalga kılavuzuna bağlı çok sayıda yapay atom arasındaki bilgi akışının kontrolüne izin vermek için bu kiral mimari kuantum ağlarında uygulanabilir.
Kuantum hesaplama için en popüler platformlardan biri süper iletken devrelerdir. Ancak, onları sakin tutabilecek ve kuantum bilgisini yönlendirebilecek karşılıklı olmayan unsurlara sahip olmak avantajlı olacaktır. Önceki araştırmalar, doğal atomların ve diğer tek foton yayıcıların, görünür ışığın yayılmasını düzenlemek için karşılıklı olmayan cihazlar olarak kullanılabileceğini göstermiştir. Bu çalışmada ışık, ışığın kutuplaşmasını belirli yönlerle sınırlayan düzlemsel bir dalga kılavuzu içinde yer almaktadır. Ardından, dalga kılavuzuna bağlı bir atom veya başka bir yayıcı, ışığı yalnızca bir yönde yayacak ve emecek şekilde tasarlanabilir.
Ancak, süper iletken devreler ve eşleştikleri düşük frekanslı mikrodalgalar bu görünür ışık konfigürasyonuyla çalışmaz. Doğal atomlar çok esnek mikrodalga yayıcılar olmadığından, araştırmacılar genellikle bir rezonans devresi düzeninde bir araya getirilmiş süper iletken bileşenlerden üretilen yapay atomları kullanmaktadır. Bu süper iletken devreler, tıpkı gerçek atomlar gibi temel durumlara ve uyarılmış durumlara sahiptir ve belirli bir uygulama için ayarlanabilirler. Sorun, görsel durumun aksine, üretilen atomlar ve mikrodalga dalga kılavuzları arasındaki bağlantının aynı polarizasyon bağımlılığını sağlamamasıdır. Araştırmacılar çeşitli yaklaşımlar geliştirmiş olsa da, şu anda kullanımda olan süper iletken devreler için kiral arayüzler ya büyük, karmaşık ya da başka dezavantajlara sahiptir.
Birbirine bağlı bir çift sentetik atom olan bir “dev molekül”, yakın zamanda önerilen ve gösterilen bazı kiralite tekniklerinde kullanılmaktadır. Her bir atoma farklı bir konumda bir dalga kılavuzu bağlanmıştır. Her atomun emisyonu ve absorpsiyonu, dalga kılavuzu boyunca iletimi bastıran veya artıran girişim etkilerinden etkilenir. Bu konsept Joshi ve çalışma arkadaşları tarafından basitleştirilmiştir, öyle ki yayıcı olarak sadece bir sentetik atom gereklidir. Dev molekül kavramının “dev atom” şeklinde bir uzantısını gerçekleştirmek için, sadece bir dalga boyu ile ayrılmış çok sayıda yerde 1D dalga kılavuzuna bağlanan yapay bir atom yarattılar.
Araştırmacılar, tek bir yayıcı ile gerekli girişim etkilerini üretmek için bağlantı noktaları arasındaki aralığa ve her noktadaki bağlantının fazına karar vermek zorundaydı. Yayıcı atom ile dalga kılavuzu arasında, bunu başarmak için kuplör olarak ekstra yapay süper iletken atomlar kullandılar. Bilim insanları, manyetik bir alan uygulayarak yayıcı ve dalga kılavuzu arasındaki bağlantıyı verimli bir şekilde yönetmek için kuplör atomlarını başarıyla ayarladılar. İleri ya da geri yayılan ışığın dalga kılavuzundan akmasını sağlayan kritik faz farkı, iki kuplörün modülasyonlarının göreceli fazı tarafından üretildi. Modülasyonun faz farkının ayarlanması basitti, bu da etkileşimin kiralitesini bir yönden diğerine değiştirmeyi kolaylaştırıyordu.
Araştırmacılar bir dizi deneyle buluşlarının yeteneklerini gösterdiler. Zayıf fotonik sinyalin atomla rezonanstaki yayılımını ölçerek başladılar. Bu ölçüm, modülasyon sinyallerinin göreceli fazı dalgalandıkça, ileri veya geri yayılan fotonlara bağlanmanın güçlüden yok denecek kadar aza indiğini gösterdi. Prob sinyalinin gücü daha sonra araştırmacılar tarafından atomun ilk geçişinin doygun olduğu noktaya kadar artırıldı. Daha sonra, iyi bilinen bir kuantum-optik fenomen olan Mollow üçlüsü keşfedildi ve etkileşimin kiralitesinin tek bir foton için işlev görmekle sınırlı olmadığı gösterildi.
Son olarak, yapay atomun birinci ve ikinci uyarılmış durumları arasındaki geçişe bakarak, bu durumlar arasındaki bağlantıya kiralitenin de eklenebileceğini gösterdiler. Ayrıca, atomun durumunun sonda fotonlarının fazını nasıl etkilediğini fark ettiler. Sonuç olarak, bir atom ve bir foton arasında kuantum mantıksal bir geçit gerçekleştirmeyi başardılar.
Bir sonraki mantıklı adım, yeni kiral cihazın basit bir mikrodalga foton akışından daha fazlasını iletebildiğini göstermek olacaktır. Örneğin, grup bir kuantum durumunu bir uydurma atomdan diğerine veya tam tersine taşımayı deneyebilir. Yapay süper iletken atomlarla devasa kuantum ağları oluşturma yolunda önemli bir adım böyle bir gösteriyle atılmış olacaktır. Geniş bir ağın hayata geçirilebilmesi için düzeneğin kayıp kanallarının daha da azaltılması ve yapay atomlar ile dalga kılavuzu arasındaki bağlantının güçlendirilmesi gerekecektir. Ancak bu geliştirmeleri uygulamak oldukça basit olacaktır.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v16/103
