Bir kuantum aygıtının performansını en üst düzeye çıkarmak hiç de kolay değildir. Örneğin bir kuantum bilgisayarın verimliliğini artırmak için ilave kübitlerin satın alınması ya da bir dizi yeni kuantum kapısının kablolanması gerekebilir. Ekstra kaynaklar, bir enzimin biyokimyasal bir reaksiyonu ilerletmesine benzer şekilde, bir kuantum sürecini ilerletebilecek “katalizörler” olarak görülebilir. Kuantum termodinamiği alanında çalışan Singapurlu kuantum bilgi teorisyeni Nelly Ng, kuantum kataliz üzerine yaptığı araştırmanın kuantum ağları ve kuantum kriptografisi için geniş etkileri olduğunu iddia ediyor. Ng’ye göre çok sayıda açık problem ve gelecekteki potansiyel yolların bir sonucu olarak, “kuantum kataliz büyüyen bir alan”.
Cenevre Üniversitesi’nden meslektaşları Patryk Lipka-Bartosik ve Leibniz Üniversitesi Hannover’den Henrik Wilming ile birlikte Ng, kuantum kataliz arazisinde gezinmeye yardımcı olmak için kapsamlı bir inceleme kaleme aldı. Beklentilerine göre, bu özet kuantum bilgi uygulamalarında daha fazla ilerleme için bir sıçrama tahtası görevi görecek. Ng’nin kataliz araştırması ve “inQlings” takma adının kökenine ilişkin sorular Physics Magazine tarafından kendisine yöneltildi.
Fiziğe ilk başladığımda kuantum teorisini kavramakta zorlanmıştım çünkü bu fikirler bana çok yabancı ve günlük hayatımla ilgisizdi. Ancak kuantum kriptografi araştırması, kuantum fiziğinin pratik uygulamalarına gözlerimi açtı. Bir iletişim ağını bilgisayar korsanları için ele geçirilemez hale getiren bir kuantum işlem protokolü oluşturmak artık ulaşılabilir bir şey. Her ne kadar kuantum kriptografi alanında kalmasam da, bilgi teorisi ve kuantum fiziği arasındaki etkileşim beni büyülemişti.
Yaklaşık beş yıl önce kuantum katalizini düşünmeye başladım. Kuantum termodinamiği ilk giriş noktam olmasına rağmen, katalizin kuantum bilgisinin diğer alanlarına uygulamaları beni büyülemişti. Patryk, Henrik ve ben oldukça farklı türde problemler üzerinde çalışıyor olsak da, problemlerimize katalitik mercekten bakarken ortak bir zemin keşfettik. Bunun bir bulmacayı bir araya getirmek gibi olacağını düşündük: tüm bu farklı katalizör türleri bir incelemede daha iyi açıklanabilir.
“in” bilgi teorisini ve ‘Q’ kuantumu ifade ettiği için Singapurlu grubum in.Q adını kullanıyor.
Bu sadece araştırma konumuzu yansıtmakla kalmıyor, aynı zamanda grubumun merak ve keşfe değer vermek olan yol gösterici ilkesiyle de uyumlu. Grubun üyeleri şaka yollu inQlings olarak anılıyor, bu da 1930’lardan 1950’lere kadar Oxford, Birleşik Krallık’ta var olan bir edebiyat kulübü olan Inklings’in adının bir oyunu.
Günlük hayatımızda belirli bir hedefe ulaşmak için sıklıkla yardımcı bir araç ya da yönteme başvururuz. Bu yardımcı kaynak tekrar tekrar geri dönüştürülebildiğinde, katalitik bir sürece dönüşür. Enzimler biyolojide en iyi bilinen katalizörlerdir; kimyasal reaksiyonları hızlandıran protein molekülleridir. Bu enzimler süreç sona erdiğinde ilk hallerine geri döndükleri için yeniden kullanılabilirler.
Kuantum rejimini göz önünde bulundurduğumuzda bir döngü içinde çalışan katalizörlere de sahip olabiliriz. Yardımcı bir kübit, örneğin diğer iki kübitin dolaşıklığına aracılık ederek bir hesaplamanın yürütülmesine yardımcı olan tipik bir kübit örneğidir. Bu ek kübitin işlem sonrasında başlangıç durumuna sıfırlanması mümkündür çünkü önemli bir veri depolamaz. Kuantum katalizörleri optik boşluklarda ve atomik saatlerde de bulunabilir.
Katalitik avantajı açıklamak için basit bir yol bulmaya çalışırken, bir dizi istiflenmiş halkayı bir çubuktan diğerine aktarmanızı gerektiren iyi bilinen bir zeka oyunu olan Hanoi Kuleleri’ne geldik. Kurallar, bir seferde tek bir halkayı hareket ettirmekle sınırlı olduğunuzu ve farklı boyutlardaki halkaları istiflemenize izin verilmediğini belirtir. Üçüncü bir çubuğunuz varsa bulmacayı çözebilirsiniz, ancak yalnızca iki çubukla bu imkansızdır. Ek çubuk bir katalizör görevi görerek çalışma alanını genişletir ve daha önce imkansız olan hareketleri gerçekleştirmenize olanak tanır. Benzer şekilde, kuantum katalizörleri de verileri sistemin fiziksel sınırlamalarına dayanmayan şekillerde işlemeye olanak tanır.
Olaylara çok geniş bir açıdan yaklaşıyoruz. Belirli bir matematiksel çerçeveden “monoton” adı verilen fonksiyonlar türetebiliriz; bu fonksiyonların davranışları başlangıç durumundan son duruma dönüşümle paralellik gösterir. Bu monotonların özelliklerini araştırmak, bir katalizörün belirli bir kuantum bilgi sürecini iyileştirip iyileştiremeyeceğini belirlememizi sağlar. Ayrıca, daha büyük resimle de ilgilenebiliriz: Bu katalizöre kübit veya başka bir donanım eklemeye değer mi?
Şu anda çalışmalarımızın çoğu teorik nitelikte. Ancak uzun vadede bilim insanları gerçek kuantum bilgisayarlarını inceleyebilir ve bir katalizörün belirli bir programı kolaylaştırıp kolaylaştıramayacağını merak edebilirler. Belki de hataların etkisini azaltabilir ya da kapı sayısını azaltabilir. Katalizin potansiyel faydaları söz konusu olduğunda, geleceğin önünün açık olduğuna inanıyorum.
Kaynak: physics.aps.org
