Kuantum dolanıklık, bir zamanlar Albert Einstein’ın “mesafeler arası korkunç olay” (spooky action at a distance) olarak tanımladığı ve bilim dünyasını uzun yıllar büyüleyen bir olguydu. Günümüzde ise kuantum bilgisayarların temelini oluşturan bu fenomen, parçacıklar arasında oluşan özel bir bağlantı olarak tanımlanıyor.Kuantum bilgisayarlar henüz emekleme aşamasında olsa da dolanıklık sayesinde klasik bilgisayarların başaramadığı işlemleri gerçekleştirebiliyorlar. Moleküller, ilaçlar veya katalizörler gibi doğal kuantum sistemlerini simüle etmek bu teknolojinin sunduğu imkanlardan sadece biri.
Şimdi ise bilim insanları, kısa bir süre önce yayınlanan araştırmada yaklaşık 20 nanometre mesafeyle ayrılmış iki atom çekirdeği arasında kuantum dolanıklığı sağladıklarını açıkladı.
Bu çok “büyük” bir şey gibi görünmeyebilir ama kullanılan yöntem, kuantum bilgisi depolamak için en hassas ve güvenilir sistemlerden birini kullanarak pratik ve kavramsal bir atılım niteliği taşıyor.
Kontrol ve gürültü arasındaki denge
Onlarca yıldır kuantum bilgisayar hakkında yapılan araştırmalar temel olarak iki karşıt ihtiyacı dengelemek ve buradaki inanılmaz zorluğu çözmek sorununa takılıyor. Kuantum bilgisayarlar, dışarıdaki elektronlardan dahi etkilenebilecek hassasiyete sahip. Dolayısıyla bunları dış parazitlerden ve “gürültüden” korumak gerekiyor. Ama aynı zamanda anlamlı hesaplamalar yapmak için onlarla etkileşim kurmak da gerekiyor.
Bu nedenle, halen piyasada birçok farklı donanım türü kuantum bilgisayar yarışı içinde. Bazıları hızlı işlem yapma konusunda başarılı ancak gürültüye hassas, bazıları ise gürültüden iyi korunmuş ama işletimi ve ölçeklenmesi zor.
Atom çekirdeklerini konuşturmak
Araştırma ekibi, bugüne kadar daha çok gürültüye karşı korunan bir sistem üzerinde çalışıyordu. Bu çalışmada da silikon çipler içine fosfor atomları yerleştirildi ve atom çekirdeklerinin “spin” özelliği kullanılarak kuantum bilgisi kodlandı.
Ancak faydalı bir kuantum bilgisayarı için çok sayıda atom çekirdeğiyle eş zamanlı çalışmak gerekiyor. Şimdiye kadar birden fazla atom çekirdeği ile çalışmanın tek yolu, onları tek bir elektronla çevrili olabilecekleri bir katı maddenin içine çok yakın yerleştirmekti.
Elektron, atom çekirdeğinden çok daha küçük olsa da, kuantum fiziği ona uzayda “yayılma” yeteneği veriyor. Bu sayede birden fazla çekirdekle aynı anda etkileşim kurabiliyor. Yine de bir elektronun etkileşim menzili sınırlı ve birden fazla çekirdeği aynı elektrona bağlamak her çekirdeğin ayrı ayrı kontrolünü zorlaştırıyordu.Yeni çalışmada, araştırmacılar çekirdeklerin birbirleriyle iletişim kurmasını aynı odada bulunan insanların konuşması yerine “odalar arasında telefonla konuşmaları” örneğiyle açıklıyor. Her oda halen sessiz ama artık insanlar (atom çekirdekleri) birbirine daha uzak mesafelerden de konuşabiliyor. Bu “telefonlar” da elektronlar. Elektronlar arasındaki etkileşim sayesinde, her çekirdek kendi elektron kanalını kullanarak diğer çekirdeklerle dolanıklık kurabiliyor.
Araştırmada kullanılan yöntem, daha önce yüksek hassasiyetli kuantum işlemleri için uygulanan “geometrik kapı” yöntemi. Bu yöntem, ilk kez silikonda birden fazla çekirdeğin aynı elektron aracılığıyla dolanmasını sağladı.
Deneyde fosfor çekirdekleri 20 nanometre mesafeyle ayrılmıştı. Bu mesafe, günlük silikon transistörlerin üretildiği ölçeğe denk geliyor. Bu sayede, uzun ömürlü ve gürültüden iyi korunmuş nükleer spin kübitleri, mevcut silikon çip mimarisine entegre etmek mümkün hale geliyor. Gelecekte, elektronların fiziksel olarak hareket ettirilmesi veya daha uzun şekillere sıkıştırılmasıyla bu dolanıklık mesafesi daha da artırılabileceği belirtiliyor. Araştırma, elektron tabanlı kuantum cihazlarındaki ilerlemelerin, güvenilir hesaplamalar yapabilen nükleer spin tabanlı kuantum bilgisayarlara uygulanabileceğini gösteriyor.
