Elmaslar: Kuantum Bilgisayarların Doğum Yeri - 2

Bu yazının içerik özgünlüğü henüz kategorize edilmemiştir. Eğer merak ediyorsanız ve/veya belirtilmesini istiyorsanız, gözden geçirmemiz ve içerik özgünlüğünü belirlememiz için [email protected] üzerinden bize ulaşabilirsiniz.

Bir halk efsanesi der ki: Bir gün kuantum fizikçisi Mete Atatüre’ye sormuşlar: “Hocam, ne tür bir elmas en değerlidir?” diye. O da “Elbette, farklı renkleri olan kusurlu elmaslar” demiş. Soruyu soran kişi şaşırarak, “Aman hocam, ne yaptınız! Renksiz ve saydam elmaslar değil midir kuyumcu vitrinlerini süsleyen?”  Hoca da başka bir fizikçi olan Colin Humphrey’den alıntılayarak şöyle cevap vermiş: “Bak evlat… ‘Elmaslar tıpkı insanlar gibidir. Onları ilgi çekici kılan şey içindeki kusurlarıdır.’ ”

Gerçekten de kuantum bilgisayarlar geliştiren bir fizikçi için elması en değerli kılan şey içindeki kusurudur. Kusurlu bir elmasın kuantum bilgisayarların geliştirilmesindeki önemine ve daha fazlasına sonra değineceğiz. Öncelikle, konunun temelini biraz daha sağlam tutmak adına, “İyon Kapanı: Kuantum Bilgisayarların Doğum Yeri – 1” adlı yazımızı okumanızın faydalı olacağını düşünüyoruz.

Kuantum bilgisayarların ardındaki temel düşünce elektronların spin özelliklerini kontrol ederek onlara bilgi yüklemek, yani bir “kübit” yaratmaktır. Günümüzde, iyonları iyon kapanlarında tutmanın yanı sıra süperiletken malzemeler, yarıiletken devreler kullanmak gibi yöntemlerle kübit yaratmanın farklı yolları mevcuttur. İşte bu çeşitli yollardan biri de elmas içinde bir kusur ve bir boşluk yaratarak elektronları bu boşluğa hapsetmektir. [1]

 

Neden Elmas?

Elmas, karbon atomlarından oluşur ve sekiz yüzlü bir kristal yapıya sahiptir. Elmasın bu yapısı onu çok sert ve kararlı kılar, dolayısıyla oda sıcaklığında üzerine hiçbir madde etki etmez. Ayrıca, elmasın çekirdeğinin, elektron spini üzerinde bir gürültü yaratabilecek manyetik çift kutupluluğu bulunmaz. Bu özellikleri sayesindedir ki, manipüle edilecek olan elektronları, tıpkı iyon kapanları gibi, içerisinde mükemmel şekilde hapseder. [2] Ultrasoğuk (-273 santigrat derecenin biraz üstü) bir ortam gerektiren iyon kapanlarından bir farkı olarak içlerinde kusur bulunduran elmaslar, elektronların spin özelliklerini daha iyi koruyabilirler ve, en önemlisi, bunu oda sıcaklığında yaparlar.

 

Elmasta Bir Kusur Nasıl Yaratılır? Azot-Boşluk Merkezi (Nitrogen-Vacancy Center) Nedir?

Araştırmacılar, laboratuvar ortamında adına “mikrodalga plazma odası” denen bir fırında elması katmanlar halinde üretip bu elmasın içerisinde mikroskobik ölçekte istençli bir şekilde kusur yaratmaktadırlar. Bunu yapabilmek için iki farklı yöntem geliştirilmiştir:

  1. İyon Tabancası: Elmasın kristal yapısından bir karbon atomu çıkarılarak, yerine iyon tabancası ile bir azot (nitrojen) atomu ateşlenir. Azot, içinde bulunduğu kristal yapıda bir basınç meydana getirir. Bunun karşılığında kristal yapı, oluşan baskıyı bertaraf etmek eğilimine girer ve böylelikle azot atomunun hemen yanı başında kendiliğinden bir boşluk oluşur.
  2. Delta Doping: Elmas, fırın içerisinde katman katman oluşturulurken araya azot atomları serpiştirilir. Daha sonra, elektron tabancası ile bu atomların yanında birer boşluk ortaya çıkar.   

Görsel 1’de elmasın kristal yapısını oluşturan kafesi görüyoruz. Azot atomunun (N) yanı başında oluşan bir boşlukta (Vacancy) elektronun (e-) spin özelliklerine müdahale edilerek bir kübit oluşturulur. [3]

Görse 1: Bir azot ve bir boşluk merkeziyle oluşturulan kusurlu bir elmasın kafes formundaki kristal yapısı.

Azot atomu ve yanındaki boşluk, ikisi bir arada, bir molekül gibi davranırlar. Şimdi, bu molekülün elmasın sert yapısına hapsolmuş şekilde oda sıcaklığında yapılabilen deneyleri bir düşünün, sonra da bir atomun iyon tuzağında hapsolması için ultrasoğuk sıcaklıkları gerektiren deneyleri… Sanıyoruz, elmaslar ve içindeki kusurların neden bu kadar akıl almaz derecede önemli olduklarını anlatabilmişizdir. Elmaslar, tıpkı bir iyon tuzağı gibi davranarak -ama ondan farklı olarak-  bir deneyin istenildiği kadar tekrarlanma şansını verirler. Hem de bunu oda sıcaklığında (ortamı çok soğuk bir hale getirmek için fazla enerjiye gerek duymadan) yaparlar. Ne muhteşem bir potansiyel, öyle değil mi?

 

İyi Bir Spin Özelliğinin Boşluk Merkeziyle Olan İlişkisi Nedir?

Kuantum bilgisayarlar geliştirilirken, bilgi yüklemek için elektronların spin özelliklerini kontrol etmenin gerekliliğinden bahsetmiştik. Elektronun “yukarı” ve “aşağı” spin durumları, örneğin, ikili kod sisteminde 1’e ve 0’a karşılık gelmektedir. Elektronların spin özelliklerinden faydalanılarak oluşturulan kübitler iyi bir şekilde tasarlanmalıdır. Spin özelliklerine bağlı olarak boşlukta kodlanan bilgi, yani “spin izi”, daha sonra fotonlar aracılığıyla taşınarak başka bir yere kaydedilir. İşte bu aktarımın başarıyla gerçekleştirilebilmesi için boşluk merkezlerinin kaliteli oluşunun büyük bir önemi vardır. Şöyle ki spinlerin boşlukta yaratmış olduğu “iz”, uzun bir süre boyunca dayanamayıp sadece mikrosaniyeler sürmektedir. Bu izler kaybolmadan önce, yani kuantum sistemiyle olan eşuyum durumu (coherence) bozulmadan önce bilgisayar tarafından saptanabilmeli ya da okunabilmelidir ki etkili bir işlem yürütebilelim. Son olarak, bilgiyi taşıyan ışık parçacıklarının da (fotonların da) iyi nitelikli olması gerekir. Bu konuyla ilgili sevgili hocamız Mete Atatüre şunları söylüyor:

“Bir boşluk merkezinden beklentimiz, parçacıkların spin özelliklerinin iyi olması, uzun bir eşuyum durumunun olması ve bilgiyi aktaracak olan fotonların yeterince parlak ve dar bir bant aralığında olmasıdır.” [4] 

 

Neden Azot?

Atatüre’nin bahsetmiş olduğu özellikleri elde etmek için azot en uygun aday gibi gözüküyor. Işık özellikleri bakımından pek doyurucu olmasa da iyi bir spin özelliğine sahip olması sebebiyle azot, elmas içerisinde bir kusur olarak yaygınlıkla kullanılmaktadır. Ancak azotun, etrafından gelen çok çeşitli sinyalleri alması onu biraz kullanışsız kılmaktadır. En azından kuantum bilgisayarlar için durum böyle… Diğer taraftan, azotun bu optik özelliği başka bir aracın yapımında çok önemli hale gelmektedir. Bu konuya az sonra değineceğiz.

 

Azot- Boşluk Merkezi Yönteminin Diğer Yöntemlere Göre Üstünlüğü Nedir?

Kuantum bilgisayarlar yaratma yolunda atılmış en başarılı adımlar çoğunlukla atomları ya da molekülleri bir vakum ortamına kıstırarak gerçekleştirilmiştir. Ancak atomu bir vakumda tutabilmek, bir önceki yazımızda da anlattığımız üzere, o kadar kolay bir iş değildir çünkü kuantum ölçeklerinde çalışmalar yürütmek genelde aşırı soğuk (-273 santigrat dereceye yakın) sıcaklıklarda çalışmayı gerektirir. Ayrıca bir kuantum sistem üzerine yapılan çalışma, parçacıkların kuantum özelliklerinin el verdiği zaman aralığında gerçekleşmesi gerektiğinden bu durum işe ayrı bir zorluk katmaktadır. Kuantum bilgisayarların inşasındaki diğer bir zorluk ise iki parçacık arasındaki dolanıklık durumunun kırılgan yapısıdır. Bir parçacığın üzerine olan ölçüm diğerinin durumunu etkilediğinden biliminsanları, bu dolanıklık durumunu bozmadan uzun ömürlü tek bir kübit yaratmak için adeta kılı kırk yarmak zorundadırlar. [5]

Azot-Boşluk Merkezi yöntemi ise oda sıcaklığında kullanılabildiğinden, diğer yöntemlerde süpersoğuk bir ortam elde etmek için harcanan muazzam enerjiye kıyasla, oldukça ekonomik ve pratiktir. Ayrıca bu yöntemde parçacıklar arasındaki dolanıklık durumu dış etkenler tarafından öyle kolay kolay bozulmaz. Örneğin Delft Üniversitesince oda sıcaklığında yapılan Delft Deneyinde, aralarında 1,3 km mesafe bulunan iki elmas arasında dolanıklık sağlanmıştır. Son olarak, boşluklu kafes yapısı spinlerin dışarıdan müdahalesine, yani oluşabilecek hataların kolayca düzeltilmesine de imkan sağlamaktadır.

Görsel 2 Delft Deneyi

 

Bir Sensör Olarak Elmas Kusuru

Azotun etraftan gelen sinyallerden etkilenmesinden ve onun bu özelliğinin başka bir aracın geliştirilmesinde olumlu katkısı olabileceğinden bahsetmiştik. Şimdi bu durumu biraz açıklayalım.

Elmas içerisindeki azot kusuru sadece geleceğin bilgisayarlarını geliştirmede bir adım olarak kullanılmakla kalmıyor, aynı zamanda sensör olarak da kullanılabiliyor. Diğer bir ifadeyle, kuantum bilgisayarlar söz konusu olduğunda elmasın çevreyle etkileşimi en aza indirilmeye çalışılırken sensör olarak kullanımında mümkün olduğunca çevreden etki almasına izin veriliyor. Azotun etrafıyla etkileşmesi, deyim yerindeyse etraftan gelen her türlü sinyalle “içli dışlı” olması sayesinde, çevrenin özellikleri hakkında bilgi sahibi olabiliyoruz. “Işık ve Elmas ile Kuantum Oyunlar” adlı seminerinde Atatüre’nin de dediği gibi, “Elinizdeki tekli kuantum cisim [çevresiyle fazla etkileşip] çok konuşuyorsa sensör; az konuşuyorsa kuantum bilgisayar yapıyorsunuz.”

Peki elmasın içerisindeki azot kusuru üzerinden çalışan bu nano-kristaller sensör olarak nasıl kullanılmaktadır? Elmasın yüzeyine yakın bir katmana azot atomları yerleştirilmesi sayesinde, onun üzerindeki yaklaşık 5 nanometre küplük bir alanda hangi atomların olduğu belirlenebilmektedir. Diğer bir ifadeyle, maddenin yüzey kimyası belirlenebildiği gibi, sensörün hücre içine gönderilmesi durumunda bir canlının hücre içi kimyası da saptanabilmektedir.

Görsel 3: Dünya'nın en küçük Emar (NMR) makinesi, elmas içindeki azot kusuru sayesinde çalışır.

 

Elmas Nanokristalleri ile Kanser Oluşumunu Önlemede İlk Adımlar

Bir hücre aslında çok az şeyle beslenir ve eğer ki bir besini beğenmezse etrafını hücre duvarıyla örüp onun geçişini engeller. Ancak elmas nanokristallerin yüzeyini bir kimyasalla onardığınızda, nanokristallerin hücre içerisine geçişini mümkün hale getirebilirsiniz. Ve hücre içerisine bir kez girdiği zaman artık o kristalleri yönlendirip hücre içinde nereye yapışması gerektiğini söyleyebilir ve ömrü boyunca canlıyı gözlemleyebilirsiniz.

Bir hücrenin kansere doğru ilerleyip ilerlemediğini nanokristaller sayesinde öğrenmek mümkün olabilir. Nasıl mı? Hücre içerisindeki bazı kimyasal değişimler hücrenin çeşitli yerlerinde ısı farkını artıracaktır. İşte çevresiyle olan etkileşimi üzerinden, tıpkı bir termometre gibi çalışan bu nano boyuttaki kristal yapılar, hücre içindeki hem ısı farklılıklarını hem iyon konsantrasyonunu ölçmemizi sağlayarak kanser gelişiminden önce, kansere neyin sebep olabileceği konusunda bize bilgi sunabilir. Kanser merkezleriyle yürütülen araştırmaların olumlu sonuçlar vermesi durumunda çağımızın bu korkunç hastalığı tarihin karanlık sayfalarına gömülecektir.


Kaynaklar ve İleri Okuma: 

  1. MIT News
  2. Phys.org
  3. Nicolas Wohrl
  4. University of Cambridge
  5. Bilim Akademisi - Mete Atatüre 
  6. Görsel 1 
  7. Görsel 3
  8. Posta Gazetesi (Mete Atatüre Fotoğrafı)

Bilişsel Yük Teorisi

Duman, Ateş ve İnsan Evrimi

Yazar

Ayşegül Şenyiğit

Ayşegül Şenyiğit

Yazar

Evrim Ağacı'nın genel editörü, popüler bilim yazarı ve çevirmenidir. İstanbul Üni. İngiliz Dili ve Edebiyatı mezunudur. Yıldız Teknik Üni. Yabancı Diller Yüksek Okulunda İngilizce öğretim görevlisi olarak çalışmaktadır

Katkı Sağlayanlar

Çağrı Mert Bakırcı

Çağrı Mert Bakırcı

Editör

Evrim Ağacı'nın kurucusu ve idari sorumlusudur. Popüler bilim yazarı ve anlatıcısıdır. Doktorasını Texas Tech Üniversitesi'nden almıştır. Araştırma konuları evrimsel robotik, yapay zeka ve teorik/matematiksel evrimdir.

Konuyla Alakalı İçerikler
  • Anasayfa
  • Gece Modu

Göster

Şifremi unuttum Üyelik Aktivasyonu

Göster

Göster

Şifrenizi mi unuttunuz? Lütfen e-posta adresinizi giriniz. E-posta adresinize şifrenizi sıfırlamak için bir bağlantı gönderilecektir.

Geri dön

Eğer aktivasyon kodunu almadıysanız lütfen e-posta adresinizi giriniz. Üyeliğinizi aktive etmek için e-posta adresinize bir bağlantı gönderilecektir.

Geri dön

Close
Geri Bildirim