CQT Baş Araştırmacısı Loh Huanqian ve ekibi, benzersiz bir algoritma ile desteklenen otomatik kurulumlarında 225 atoma kadar hatasız diziler oluşturuyor. Bu fotoğraflar, tek rubidyum atomlarının bir insan saçı genişliğindeki diziler halinde parlak noktalar halinde düzgünce istiflendiğini gösteriyor. CQT Baş Araştırmacısı Loh Huanqian’ın ekibi, atomları 15’e 15 üçgen ızgaraya sığan herhangi bir desende (Singapur’un Aslan Başı sembolü de dahil) nasıl bir araya getirebileceklerini göstermek için bu fotoğrafları çekti. Araştırmacılar bunu mümkün kılan düzeneği ve yenilikçi yöntemi Physical Review Applied’da 15 Mart 2023’te yayınlanan bir yayında detaylandırıyor. Makale aynı zamanda American Physical Society Physics dergisinde de yer alıyor.
Nötr atom dizileri, prototip binalar oluşturmak için bir araya getirilebilen Lego parçalarına benzer şekilde malzemelerin güçlü kuantum simülasyonlarını yapmak için kullanılabileceğinden, araştırmacılar onlarla çalışmaya heveslidir. Süper bilgisayarlar zaten bilim insanları tarafından malzeme özelliklerini hesaplamak için kullanılıyor, ancak simülasyona daha fazla parçacık eklendiğinde hesaplamalar hızla çalışamaz hale geliyor. Bilim insanları bir atom dizisi kullanarak malzemeleri doğrudan modelleyebilirler.
CQT grubu bu yöntemi kullanarak, ortam sıcaklığında 225 atomluk modern, hatasız bir dizi boyutunu başarıyla üretebildi. Bir dizideki kusurların veya eksik atomların kuantum simülasyonlarında gözlemlenen sinyali bozduğu tespit edildiğinden, desen mükemmelliği çok önemlidir.
Tian Weikun, Wee Wen Jun, Qu An, Billy Lim Jun Ming, Prithvi Raj Datla ve Vanessa Koh Pei Wen, Huanqian’ın CQT laboratuvarında çalışan ve çalışmada ortak yazar olarak rapor edilen sonuçlara katkıda bulunan araştırma öğrencileridir. Huanqian, Singapur Ulusal Üniversitesi Fizik Bölümü’nde aynı zamanda Rektör Yardımcısı Profesör unvanına sahiptir.
Atomları Paralel Şekilde Hizaya Getirme
Ekip, atom dizilerini bir araya getirmeden önce atomları genellikle optik cımbız olarak adlandırılan lazer ışınlarıyla yakalayarak işe başlıyor. Tek atomların yakalanmasında bir şans faktörü vardır, bu nedenle her cımbız bir atomu yakalamada etkili değildir. Bu da araştırmacıların 400 cımbızla başladıkları ama sonunda kusurlarla dolu bir atom dizisi elde ettikleri anlamına geliyor.
Atomlar bir sonraki aşamada yeniden hizalanarak daha kompakt ve hatasız bir hedef dizisi oluşturuluyor.
Ekibin stratejisi burada normdan ayrılıyor. Daha önce atomlar, gereken en az sayıda hareket belirlendikten sonra tek bir ek optik cımbızla teker teker hareket ettiriliyordu. Atomlar tuzaklarında sonsuza kadar kalmazlar, bu nedenle hareket sayısını ve dolayısıyla yeniden düzenleme için gereken süreyi azaltmak, hatasız bir dizi üretme olasılığını artırır.
Huanqian ve ekibi bunun yerine, çok sayıda cımbız kullanarak çok sayıda atomu aynı anda hareket ettirerek yeniden düzenlemeyi hızlandıran bir mekanizma yarattı. Deneylerinde atomları aynı anda hareket ettirmek ve hatasız diziyi üretmek için 15 adede kadar hareketli cımbız kullanılabiliyor. Kullanıcı kullanılacak maksimum hareketli cımbız sayısını belirleyebiliyor.
Makalenin ilk yazarı Weikun atomları teker teker hareket ettirmeyi tek parmakla piyano çalmaya benzetiyor. Bizim yöntemimiz daha fazla parmak kullandığımız ve piyanoyu daha hızlı çaldığımız için çok zaman kazandırıyor. Örneğin, 100 atomu hareket ettirmemiz gerekirse, bunu her seferinde 100 tane yerine on tanesini bir kerede hareket ettirerek yapabiliriz. Bu da normalden on kat daha az hamle yaptığımız anlamına gelir.
Araştırmacılar, bu işi yapmak için yapılacak en iyi hareketleri belirleyen devrim niteliğinde bir algoritma oluşturdular.
Atomların ilk yüklenmesini gösteren bir görüntü algoritmanın girdisi olarak işlev görür. Resim, 1 ve 0’ın bir atomun cımbız tarafından başarılı bir şekilde yakalanıp yakalanmadığını gösterdiği ikili bir matrise dönüştürülür. Hedef dizisi de araştırmacılar tarafından belirtilmiştir.
Yeniden düzenleme stratejisinin iki bileşeni vardır. Satır sıralama ilkidir. Her bir sütunun hedef dizi için gereken sayıda atoma sahip olmasını sağlamak için, bu teknikte satırlardaki atomlar sütunlar boyunca yeniden dağıtılır. İkinci yöntem, atomları istenen konumlarına aktarmak için bir sütunun sıkıştırılmasını içerir.
Grup, atomların hareket sırasında çarpışarak diziden çıkmalarını önlemek için algoritmanın atomları her zaman aynı hızda hareket ettirmesini ve sıralarını korumasını şart koşmuştur.
Algoritma hesaplamayı tamamladıktan sonra donanımla etkileşime giriyor. Atomlar, mekanik kollar olarak işlev gören optik cımbızlar tarafından satır satır ve ardından sütun sütun yeniden düzenleniyor. Grubun eşzamanlı sıralama ve sıkıştırma algoritması olarak bilinen yaklaşımı, dizi montajını birkaç milisaniye içinde bitirebilir.
Weikun’a göre deneyin en zorlu yönlerinden biri kodlama. “Algoritmamız sahnenin tamamına bakıyor, tüm hareket setini bir kerede tasarlıyor, çarpışmaları kontrol ediyor ve ardından yürütüyor.”
Singapur’un Kuantum Mühendisliği Programı’ndan “Dinamik ve Malzeme Fiziğinin Kuantum Simülasyonu için Ölçeklenebilir, Programlanabilir Atom Dizisi Platformu” için alınan hibe, 2022’de proje için bir miktar fon sağladı. Huanqian’a 2018 yılında beş yıllık bir burs veren Singapur Ulusal Araştırma Vakfı da bu programı destekliyor.
Ekibin yenilikçi yöntemiyle hatasız 225 atomlu diziyi deneysel olarak gerçekleştirmesi %33’lük bir başarı oranına sahip ve bu oran literatürde belgelenen oda sıcaklığı düzenekleri için en yüksek başarı olasılıkları arasında yer alıyor. Ekip, daha yüksek sesli ve daha güçlü lazer kaynakları kullanmanın başarı şanslarını artıracağına inanıyor.
Huanqian’a göre, “Yaklaşımımızın bal peteği, kagome ve link-kagome gibi grafen, süper iletkenler veya kuantum spin sıvıları da dahil olmak üzere çeşitli gelişmiş malzemelerin araştırılması için cazip olan keyfi geometrilerde kullanılabileceğini gösterdik. Bilim adamı, “Ayrıca bunu Singapur’da yaptığımızı göstermek için tek atomları Aslan Başı işaretini oluşturacak şekilde yeniden düzenledik” dedi. Aslan Başı amblemi kalite, güç ve cesareti temsil eder. Bu sembol 1986 yılında ulusal bir sembol olarak kabul edilmiştir.
Kaynak: quantumlah.org/about/highlight
