Silikon Kuantum Çipleri Gelecekteki Teknolojinin Temeli

Kuantum bilgisayarları dünyasında devrimsel bilim rüzgarları sürmeye devam ediyor. Fizikçiler dünyada ilk kez, iki bilgisayar çipi arasında kuantum teleportasyon kurulabildiğini gösterdiler. Bu bilimsel gelişmeyi basitçe açıklarsak; bilgi çipler arasında fiziksel bir bağlantı kurmadan kuantum dolanıklıkla aktarılıyor. Yani iki parçacık arasındaki boşluk bulunsa da, kuantum fiziği prensipleri ölçüsünde birbirine bağlanıyor.
Henüz kuantum dolanıklığı tam olarak anlayamasak da,(Einstein’ın ürkütücü hareket(spooky action) ile aynı olay) bilgisayar çipleri arasında bu şekilde bilgi yollamamız önemli bir olay. Tabi bunu çok sıkı kontrol edilen bir ortamda gerçekleştirmek de, cabası. “Laboratuvar ortamın iki çip arasında yüksek kalitede kuantum dolanıklık kurulabildiğini gösterdik. Her çipteki fotonlar tekli kuantum halini paylaşıyor, “ diyor Bristol Üniversitesi’nden kuantum fizikçi Dan Llewellyn

“Sonrasında her çipte dolanıklığı gösterebilecek bölgede tümüyle programlandılar.” Hipotetik açıdan, kuantum dolanıklık her mesafede etkilidir. İki parçacık birbirinden ayrılamayacak şekilde bağlanır. Ekip bu sonuca ulaşmak için, ekip kuantum bilgiyi düşük interferans ve yüksek doğrulukla şifreledi. 4 kübit yani klasik işlem bitinin eşdeğeri birbirine bağlandı. Bu ölçüm kuantum fiziğinin garip davranışından yararlanıyor. Dolanıklık bağlantısı eş zamanlı olarak çökerek, parçacık halini bir diğer parçacığa aktarıyor yani alıcı çipe.

% 91 Uygunlukla Veri Aktarımı
Araştırmada veri aktarımının % 91 uygunlukla gerçekleştiğini , neredeyse tüm bilginin doğrulukla aktarıldığını ve kaydedildiğini gösterdi. Bilim insanları gün geçtikçe kuantum dolanıklığın nasıl işlediğini daha iyi anlasa da, şimdilik halen bunu kontrol etmek çok zor. Bu teknoloji dizüstü bilgisayarınıza kurabileceğiniz bir enstrüman değil, bunun için pahalı ve devasa bilimsel ekipmanlara ihtiyaç var.
Fakat gün geçtikçe gelişen teknoloji sayesinde, bir gün herkesin süper bilgisayar gücüne ve kuantum internete (hacker korumalı) kavuşabileceğini düşünülüyor. Düşük veri kaybı ve yüksek stabilitedeki ışınlama sağlandığı kadar, yüksek kontrol de, sağlanırsa ilerleyen araştırmalarda umut vadeden işaretler gerçekleştirilebilir.
Yeni entegre tasarım mevcut bilgisayar üretim endüstrisinde kullanılan köklü teknolojiler kullanılarak üretilebilir. Geçen yıl, New South Wales Üniversitesinden ekip lideri Andrew Dzurak ve meslektaşları, tüm modern bilgisayar çiplerinin temeli olan silikon CMOS (tamamlayıcı metal oksit-yarı iletken) bileşenleri kullanılarak kuantum hesaplamalarının gerçekleştirilebilmesini sağlayan yeni bir çip mimarisi için bir tasarım yayınladılar.

Ekibin Nature Communications dergisinde 30 Ekim’de yayınlanan yeni çalışmasında, ilk kez iki temel kuantum tekniğini bir araya getirerek yaptıkları deneylerin olumlu sonuçlar verdiğini doğruladı.Ekip daha önce entegre bir silikon qubit platformunun tek-spin adreslenebilirlikle çalışabildiğini göstermişti. Şimdi bunları, büyük spin-tabanlı kuantum bilgisayarlarda doğruluğu sağlamak için gerekli olacak kodları düzelten önemli bir gereklilik olan Pauli spin blokajı olarak bilinen özel bir kuantum okuma işlemi ile birleştirebildiklerini gösterdiler.

Dzurak, “Silikon qubit cihazımızda Pauli spin okumasını yapabildiğimizi gösterdik ama ilk kez, spini kontrol etmek için spin rezonansı ile birleştirdik. Bu, evrensel kuantum bilgisayarları için gerekli olacak olan spin qubit’leriyle kuantum hata düzeltme gerçekleştirme yolunda bizim için önemli bir kilometre taşıdır. Silikon CMOS teknolojisini kullanarak, ihtiyacımız olan milyonlarca qubiti ölçeklemek için ideal bir platformumuz var ve son sonuçlarımız bize, yakın gelecekte spin qubit hata düzeltmesi için ihtiyaç duyduğumuz araçları sağlıyor. Bu da doğru yolda olduğumuza dair bir başka teyit. Ayrıca, geliştirdiğimiz mimarinin, şimdiye kadar, çalışan bir kuantum bilgisayar çipinin geliştirilmesine engel teşkil etmediğini de gösteriyor. Ve dahası bu teknoloji, iyi kurulmuş sanayi süreçleri ve bileşenleri kullanılarak üretilebilecek.” diyor.Silikon üzerine çalışmak sadece silikon ucuz ve bol olduğu için değil, küresel bilgisayar endüstrisinin neredeyse 60 yıldır önemli ham maddelerinden biri olduğu için önemlidir. Milyarlarca konvansiyonel transistörü içeren talaşlar, büyük üretim tesislerinde rutin olarak üretilmektedir. Üç yıl önce, Dzurak’ın ekibi Nature dergisinde, bir kuantum bilgisayarının merkezi yapı taşı olan iki qubit mantık kapısının yaratılmasıyla gerçek bir silikon cihazda kuantum mantık hesaplamalarının yapıldığı ilk belgelerini yayınladı.
Profesör Mark Hoffman, “Bunlar, ilk radikal kuantum bilgi işlem konseptini, tüm modern hesaplamanın temelini oluşturan bileşenleri kullanarak pratik bir cihaza dönüştürmenin ilk göstergeleriydi. Ekibimizin bu aşamadan sonrası için yeni bir planı var. Laboratuarda bu tasarımın unsurlarını çok olumlu sonuçlarla test ettik. Sadece bunun üzerinde durmaya devam etmeliyiz – ki bu hala zorlu bir mücadeledir- ancak temel çalışmalarımız bizi cesaretlendiriyor. Kuantum hesaplamayı ticari gerçekliğe getirmek büyük bir mühendislik gerektirecek, fakat bu olağanüstü ekipten gördüğümüz iş, Avustralya’yı sektörde sürücü koltuğuna yerleştirecek. “diyor.

Araştırmada veri aktarımının % 91 uygunlukla gerçekleştiğini , neredeyse tüm bilginin doğrulukla aktarıldığını ve kaydedildiğini gösterdi.
Bilim adamları kuvvet geçtikçe kuantum dolanıklığın iyi mi işlediğini daha iyi anlasa da, şimdilik halen bunu denetlemek oldukça zor. Bu teknoloji dizüstü bilgisayarınıza kurabileceğiniz bir enstrüman değil, bunun için pahalı ve devasa bilimsel ekipmanlara gereksinim var.
Fakat her geçen gün gelişen teknoloji yardımıyla, bigün her insanoğlunun süper bilgisayar gücüne ve kuantum internete (hacker korumalı) kavuşabileceğini düşünülüyor.
Düşük veri kaybı ve yüksek stabilitedeki ışınlama sağlandığı kadar, yüksek denetim de, sağlanırsa ilerleyen araştırmalarda umut vadeden işaretler gerçekleştirilebilir.
Ek olarak silikon çip ve CMOS teknolojisi benzer halde bugünün teknolojisi ile kuantum fiziği çalışmak oldukça yararlı görünüyor.

2017’de Avustralya hükümeti, endüstri ve üniversitelerden oluşan bir ekiple kuantum bilgisayarların entelektüel mülkiyetini ticarileştirmek için Avustralya’nın ilk kuantum bilgisayar şirketini kurdu. South Wales Üniversitesindeki yeni laboratuarlarda çalışacak ekip silikon bazlı bir kuantum bilgisayar yaratmanın öncüsü olarak 2022’de silikonda 10-vuruşluk bir gösterim cihazı üretmeyi hedefliyor. South Wales Üniversitesindeki bilim adamları ve mühendisler tek atom ve kuantum nokta vuruşlarını kullanarak paralel patentli yaklaşımlar üzerine çalışıyor. Avustralya’nın mevcut ekonomisinin yaklaşık% 40’ını oluşturan endüstrilerin kuantum hesaplama yoluyla önemli ölçüde etkilenebileceği tahmin edilmektedir. Muhtemel uygulamalar arasında yazılım tasarımı, makine öğrenimi, programlama ve lojistik planlama, finansal analiz, borsa modellemesi, yazılım ve donanım doğrulaması, iklim modellemesi, hızlı ilaç tasarımı ve testi ve erken hastalık tespiti ve önleme yer almaktadır.
Bilimciler kubit kontrolünde giderek daha iyi oluyorlar. Bu konuda onları en çok zorlayan şey ise birbirleri ile iletişim kurmalarını sağlayarak onlara işlem yaptırmak. Tüm dijital devrelerin yapıtaşı olan mantık geçitlerinin yapılması açısından bu çok önemli. Mantık kapıları iki girdi alır ve programlanmış mantığa göre yeni bir çıktı verir.

Kuantum mantık kapıları daha önce inşa edilmişti; ancak onların hepsinde egzotik malzemeler kullanılıyordu. Yani bugünün silikon tabanlı bilgisayar altyapısı ile uyumlu olmaları mümkün değildi. Bu nedenle silikon bazlı kuantum bilgisayar yapabilmek için eksik kalmış son fiziksel parça, silikon bir kuantum mantık kapısıydı. Artık bir kuantum bilgisayar yapmak için gereken herşeyimiz var.

“Biz varolan bilgisayar çipleri ile aynı cihaz teknolojisini kullandığımız için, inanıyoruz ki eksiksiz bir işlemci çipi üretmemiz, daha egzotik teknolojiler kullanan diğer tasarımlarlardan çok daha kolay olacak,” diyor proje lideri Andrew Dzurak. “Günümüz bilgisayar endüstrisinde kullanılan üretim tekniklerini temel aldığı için, çalışmamız bir kuantum bilgisayarın yapılmasını kolaylaştıracak,” şeklinde devam ediyor.

Kuantum mantık kapılarının inşasında karşılaşılan en büyük güçlük şu ki, iki kubitin birbirleri ile konuşabilmeleri için inanılmaz yakın olmaları gerekiyor. Genellikle aralarındaki uzaklık 20-40 nanometre arasında oluyor ve bu da kontrol edilmelerini çok zorlaştırıyor. Japonya Keio Üniversitesi’nden Prof. Kohei M. Itoh ile ortak çalışan ekip bu zorluğu da, geleneksel çiplerdeki düzeneği efektif olarak kopyalamak suretiyle alt etmiş.

Geleneksel çip düzeneğinde ikili sistem bitleri transistör denilen minik yarı-iletken cihazlar tarafından tanımlanır. Akıllı telefonunuzda ya da bilgisayarınızda bulunan her bir silikon çipte, yaklaşık 1 milyar tane böyle transistör vardır. Diğer yandan, kuantum bitler tek bir elektronun spini tarafından tanımlanır. Dzurak ve ekibi, bildiğimiz transistörleri yeniden düzenleyerek onları bir elektron ile ilişkili hale getirmiş ve böylece transistörlerin kubitleri tanımlamasını sağlamış.

“Silikon transistörlerin her birinin sadece tek bir elektronla ilişkili olmasını garantileyerek, kuantum bitleri tanımlamalarını sağladık. Ardından ikili kod olan 0 veya 1’i elektronun spini üzerinde depoladık,” diyor ekipten Menno Veldhorst. Kendisi, araştırmalarının detaylarını paylaştıkları ve Nature dergisinde yayımlanan makalenin de başyazarı oluyor.

Ekip kubitleri kontrol etmek ve birbirleri ile haberleşmelerini sağlamak için transistörler üzerinde metal elektrotlar kullanarak mantık kapısı oluşturmuş. Tasarımlarının patentini de çoktan almışlar. Dzurak beş yıl gibi bir süre zarfında, tasarımlarının daha basit bir versiyonunu da yapabileceklerini belirtiyor.

Silikon kuantum çipi bir kez elde edince, çalışan bir kuantum bilgisayar yapabilir duruma geldik demektir. Bu da bizim bilgiyi işleme yöntemimizde devrim yaratacak. Finans, araştırma ve güvenlik alanında devasa etkileri olacak. Bunu için yapılmayı bekleyen bir sürü mühendislik çalışması olsa da, yakın gelecekte tamamlanacağı kuşkusuz.