Birleşik Krallık ve Avusturya’daki araştırmacılar, yarı iletken kuantum noktası içindeki atom çekirdeklerinin toplu davranışının kapsamlı kuantum ağlarında veri depolama işleminin kolaylaşabilir olduğunu deneysel olarak gösterdiler.
Araştırmacılar, çekirdeklerdeki kuantum durumlarını 100 mikrosaniyeden fazla bir süre boyunca korudular ve daha sonra bu durumları bir elektron spini kullanarak geri aldılar ve bu da onları belleğin depolama süresini gerçek dünya uygulamaları için pratik bir düzeye uzatabileceklerine inandırdı.
Klasik iletişimin güvenliğini, kurcalamaya dayanıklı kuantum anahtarları aracılığıyla artırmak ve dağıtılmış kuantum hesaplama ve algılama dahil olmak üzere yeni uygulamaları kolaylaştırmak için ışık tabanlı kuantum ağları geliştiriliyor. Ancak, kuantum bilgilerinin uzun mesafeler boyunca fotonlar tarafından iletilmesi, optik fiberdeki kayıpları azaltma zorunluluğu nedeniyle engelleniyor.
Bunu klasik verilerle başarmak oldukça basittir ve yalnızca sinyallerin algılanmasını, yükseltilmesini ve yeniden iletilmesini gerektirir. Kuantum verileri, bilinmeyen kuantum durumlarının çoğaltılmasını yasaklayan klonlamama teoremiyle sınırlandırılmıştır.
Kuantum nesneleri, teoride, dolanıklık yoluyla sonsuz mesafeler boyunca birbirine bağlanabilir. Ancak, optik kayıp bir sorun olarak devam eder ve mesafe boyunca sinyal yoğunluğunda üstel bir düşüşe neden olur. Çözüm, bir bağlantıyı daha kısa, daha düşük kayıplı parçalara ayırmayı, her bir parçanın uçlarını ara düğümlerde dolaştırmayı, ardından bitişik parçaları daha yüksek seviyeli düğümlerde dolaştırmayı ve tüm mesafe kat edilene kadar bu işlemi sürdürmeyi içerir. Bununla birlikte, ilk denemede tek başına hiçbir dolanıklık eyleminin başarılı olacağı garanti edilmediğinden, düğümler diğer tüm düğümler hazır olduklarını gösterene kadar dolanık durumları korumalıdır; bu da kuantum belleğini gerektiren bir gerekliliktir.
Araştırmacılar artık çeşitli bellek sistemleri geliştiriyorlar ve sıklıkla veri ileten fotonlar ile kuantum kaydı işlevi gören nispeten kararlı nükleer durumlar arasında aracı olarak spin kübitlerini kullanıyorlar. Bu tür sistemlere örnek olarak karbon-13 nükleer spinleriyle ilişkili elmas boşluk merkezleri veya bir kristal matris içinde birbirine bağlı çeşitli iyon tipleri verilebilir. Grup III-V yarı iletkenlerinden oluşan kuantum noktaları, üstün foton tutarlılığı ve parlaklığı nedeniyle kayıtlar için umut vadeden adaylardır; ancak, belleği oluşturan çok sayıda nükleer spin, kuantum aracı olarak işlev gören elektron spin kübiti için aşırı gürültü üretme eğilimindedir.
Araştırmacılar uygun mühendisliğin bu sorunu çözebileceğini ve iki kolektif duruma sahip bir kuantum kaydı sağlayabileceğini göstermiştir. Kayıt, karanlık durum olarak adlandırılan bir fenomen aracılığıyla mantıksal bir “sıfır” oluşturur; burada birkaç dolaşık çekirdek ortam etkileşimlerini en aza indirir, dolayısıyla tutarlılığı ve kararlılığı artırır. Benzer durum “bir”, tek bir nükleer spinin ters çevrilmesinin kayıt boyunca bir spin ters çevirmeleri kaskadı başlattığı bir “magnon” uyarımını içerir.
Atatüre ve meslektaşları, arsenik-75, galyum-69 ve galyum-71’den oluşan bir kuantum noktasıyla bir kavram kanıtı kaydı oluşturdular. Kuantum noktasını bir p-i-n diyotuna dahil ettiler ve bu da 13.000 çekirdekten oluşan bir hacim içinde sınırlandırılmış, arsenik ve galyumun iki çeşidi arasında eşit olarak bölünmüş, tek bir iletim bandı elektronuyla temsil edilen kararlı bir spin kübiti ile sonuçlandı. Araştırmacılar, geri bildirimle indüklenen spin dönüşleri yoluyla nükleer spin topluluğundaki rastgele değişikliklerden kaynaklanan gürültüyü başarıyla azalttılar.
Araştırmacılar, elektron spin kübiti ile toplu nükleer durumlar arasında kuantum durumlarını iletme ve tam tersi yeteneğini gösterdiler. Elektron spininin üst üste binmesini karanlık ve magnon durumlarının tutarlı bir üst üste binmesine dönüştürmek için bir “SWAP” kapısı kullandılar. Kayıtta üst üste binmenin geçici olarak tutulmasının ardından, elektronun orijinal kuantum durumunun korunup korunmadığını belirlemek için izlendiği ters eşlemeyi yürütmek için ikinci bir SWAP kapısı kullanıldı.
Kuantum Belleği Nedir?
Aaştırmacılar, bu yaklaşımın kuantum belleğinde potansiyel olarak nasıl kullanılabileceğini göstererek araştırmalarını ilerlettiler ve elektron spin kübitinin altı durumunu (üç ortogonal eksenin her biri için iki spin yönelimi) kullanarak kapsamlı kuantum kapısı tomografisi uyguladılar.
Atatüre ve meslektaşları, giriş ve çıkış durumlarının 36 potansiyel kombinasyonunu karakterize ettiler ve bunların orijinal durumu denemelerin yaklaşık %70’inde başarıyla geri aldıklarını, ortalama %70 doğruluk sağladıklarını ve yaklaşık 130 mikrosaniyelik bir kuantum bilgi depolama süresine ulaştıklarını keşfettiler.
Araştırmacılar, %90 doğruluk ve 100 milisaniyeyi aşan depolama sürelerine sahip galyum arsenit kuantum noktalarını kullanan kuantum kayıtları geliştirmeyi amaçlayan, Gangloff tarafından denetlenen MEEDGARD adlı bir Avrupa girişimine katılıyor. Ekip, bu kilometre taşlarına ulaşmak için kalıntı gerilim kontrolü yoluyla daha dar nükleer geçişler kullanma, çekirdeklerin deneyimlediği elektron kaynaklı manyetik alanı hafifletmek için elektron durumunu tekrar tekrar tersine çevirme, galyum-69 izotopunu çıkarma ve elektronun mikrodalga kontrolünü uygulama gibi çeşitli yöntemler belirliyor.
Araştırmalarının, kuantum belleğinin ilerlemesini kolaylaştırmanın yanı sıra, kolektif fenomenlere ilişkin yeni içgörüler sağlayabileceğini, süper-ışıyan nükleer spin dinamiklerini, zaman-kristal davranışını ve denge dışı çok gövdeli dinamikleri geliştirmeye hazır üç alan olarak vurgulayabileceğini iddia ediyorlar.
Kaynak: optica-opn.org/home/newsroom/2025/february/quantum_dot_nuclei_pass_memory_test
