Son araştırmalar, katı hal kübitleri için uzatılmış yaşam sürelerinin ultra temiz bir ortamda gerektirdiği yönündeki geleneksel anlayışı çürütüyor. Nature Physics’te yayınlanan bir çalışma, bir kristale çok sayıda nadir toprak iyonu sıkıştırırsanız, bunların bazılarının çiftler oluşturacağını ve son derece tutarlı kübitler olarak işlev göreceğini öne sürüyor.
Kuantum bilgisayarların temel bileşenlerini yaratmanın, iç tasarım endüstrisinde yaygın olan aynı trendleri anlamayı gerektirdiği ortaya çıktı.
Kübitleri Tanıyalım
Etkili kuantum hesaplamanın önündeki başlıca engellerden biri, kuantum bilgilerini faydalı olacak kadar uzun süre tutabilen kübitlerin nasıl yaratılacağı sorusudur.
Genel olarak temizliğin uzun ömürlü kübitlerin veya “tutarlılıkların” anahtarı olduğu kabul edilir. Kübitler çevreleriyle etkileşime girmeye başladıklarında, dekoherans olarak bilinen bir süreç kuantum bilgilerini kaybetmelerine neden olur.
Yaygın inanışa göre, eğer onları birbirlerinden ve diğer rahatsız edici faktörlerden uzak tutarsanız, biraz daha uzun yaşamaları gerekir.
Kübit mimarisine bu şekilde ‘minimalist’ bir yaklaşım, gerçek dünya uygulamalarında zorluklara yol açıyor. Kabul edilebilir ultra saf malzemeler bulmak zordur. Ayrıca, kübitlerin yüksek oranda seyreltilmesi nedeniyle böyle bir teknolojinin ölçeklendirilmesi de zordur.
Yakın zamanda bilim insanlarının beklenmedik bulguları, uzun ömürlü kübitlerin sıkışık bir ortamda nasıl bir arada var olabileceğini gösterdi. Uzun vadede, bunun bir çip üzerine nasıl yerleştirileceği, tüm kübit türleri için evrensel olarak araştırılan bir konudur.
ETH ve EPFL’de profesör Gabriel Aeppli’nin belirttiği gibi, “gittikçe daha fazla seyreltmek yerine, kübitleri birbirine yaklaştırabileceğimiz yeni bir yol gösterdik.” Çalışmayı Aeppli yönetti.
Araştırmacılar, katı hal kübitleri oluşturmak için itriyum lityum florür kristallerine nadir toprak elementi olan terbiyum katkıladı. Nadir toprak iyonlarıyla bu kadar yoğun bir şekilde paketlenmiş bir sistemde tahmin edilenden çok daha uzun tutarlılığa sahip kübit elmaslarının varlığını gösterdiler.
Belirli bir kübit yoğunluğu için, nadir toprak iyonlarını karıştırmanın ve mücevherleri molozlardan ayırmanın, tek tek iyonları seyrelterek ayırmaya çalışmaktan çok daha verimli olduğunu gösterdik,” diyor Markus Müller, teorik açıklamaları şaşırtıcı gözlemleri anlamlandırmak için çok önemliydi.
Kubitler, iki durumda var olabilen, ancak 0 veya 1 kullanarak bilgi depolayan ve işleyen klasik bitlerin yaptığı gibi süperpozisyon potansiyeline sahip sistemler kullanır. Genellikle bu iki durumlu sistem, kübitler nadir toprak iyonlarından yapıldığında her iki yöne de işaret edebilen nükleer spin gibi tek tek iyonların bir özelliğidir.
Kübitleri tek bir iyon yerine yüksek etkileşimli iyon çiftlerinden oluştuğu için, ekip tamamen farklı bir strateji ile başarılı olabilir. Tek tek iyonların nükleer spinini kullanmaya alternatif olarak, çiftler birkaç elektron kabuğu durumunu üst üste koyarak kübitler oluşturuyor.
Terbiyum iyonlarının yalnızca küçük bir yüzdesi kristal matris içinde çiftler oluşturuyor. Bir kristale büyük miktarda terbiyum eklendiğinde, iyon çiftleri -kubitlerimiz- tesadüfen ortaya çıkar. Çalışmanın başyazarı Adrian Beckert’e göre, kübitlerin kendileri oldukça seyreltiktir çünkü bunlar nispeten nadirdir.
Peki bu kübitlerin düzensiz çevreleri neden onlara herhangi bir sorun yaratmıyor? Bu elmasların fiziksel özellikleri sayesinde çöplerden korundukları ortaya çıktı. Farklı karakteristik enerjileri nedeniyle onlarla enerji alışverişi yapamadıkları için esasen yalnız terbiyum iyonlarından habersizdirler.
Müller, tek bir terbiyum üzerinde bir uyarım üretirseniz, bu uyarım kolayca başka bir terbiyuma sıçrayabilir ve dekoherans oluşturabilir, diye açıklıyor. Bununla birlikte, uyarım bir çift terbiyum üzerindeyse, durumu dolaşık olduğundan ve farklı bir enerjide var olduğundan tek terbiyumlara atlayamaz. Bir sonraki çok uzakta, bu yüzden başka bir çift bulmalıyım, ama bulamam.
Araştırmacılar, terbiyum katkılı itriyum lityum florürü incelemek için mikrodalga spektroskopisini kullanırken, kübit çiftleri olgusunu keşfettiler. Aynı tür kübitlerin optik lazer ışığının daha yüksek frekanslarında çalışması bekleniyor ve ekip ayrıca malzemelerdeki kuantum etkilerini değiştirmek ve analiz etmek için ışığı kullanıyor. Bu ilginçtir çünkü nadir toprak metallerindeki optik geçişler ışıkla kolay bir yol sağlar.
Aeppli’ye göre nihai hedefimiz, İsviçre Işık Kaynağı SLS veya X-ışını Serbest Elektron Lazeri SwissFEL’den gelen ışığı kullanarak kuantum bilgi işlemeyi görmek. X-ışını ışığını kullanarak, bu yöntem tam kübit topluluklarını okumak için kullanılabilir.
Dopant olarak terbiyum, iletişimde kullanılan mikrodalga frekansları tarafından kolayca uyarılabildiği için caziptir. Bilim insanları, tutarlılık sürelerini belirlemek için denenmiş ve doğru bir yöntem olan spin eko deneyleri sırasında tek iyonlardakinden önemli ölçüde daha uzun tutarlılıklara karşılık gelen garip pikler keşfettiler.
Beckert’in hatırladığı gibi, “beklenmedik bir şey gizleniyordu.” Daha fazla mikrodalga spektroskopisi çalışması ve titiz teorik araştırmalarla bunları çift durumlar olarak inceleyebilirlerdi.
“Tutarlılık doğru malzemeyle daha da uzun olabilir.”
Araştırmacılar bu kübitlerin özelliklerini inceleyerek, çevrelerinden korundukları çeşitli yolları kavrayabildiler ve bunları optimize etmek için çalıştılar.
Terbiyum çiftlerinin uyarımları diğer terbiyum iyonlarının etkisinden yeterince korunsa bile, malzemedeki diğer atomların nükleer spinleri kübitlerle etkileşime girebilir ve onların ayrışmasına neden olabilir.
Malzeme, kübitleri çevrelerinden daha da fazla koruyarak çiftler halinde terbiyumun nükleer spininin etkisini ortadan kaldırmak için hassas bir şekilde kalibre edilmiş bir manyetik alana tabi tutuldu. Bu, yakındaki ‘önemsiz’ atomların nükleer spinlerinden kaynaklanan gürültüden yalnızca zayıf bir şekilde etkilenen yarı manyetik kübit durumlarına yol açtı.
Bu koruma derecesi eklendiğinde kubit çiftlerinin ömrü, aynı malzemedeki tek iyonların ömründen 100 kata kadar daha uzun oldu.
Aeppli, eğer terbiyum çiftlerine dayalı kübitleri aramak için yola çıkmış olsaydık, bu kadar çok nükleer spine sahip bir malzemeyi almazdık diye ekliyor. Bu, bu stratejinin potansiyel gücünü gösteriyor. Tutarlılık, uygun içerikle çok daha fazla genişletilebilir.” Artık bu davranışın farkında olduklarına göre, araştırmacılar matrisi optimize edecekler.
Kaynak: phys.org
