Kuantum Bilgisayar Nedir? Geleceğin Bilgisayarları Nasıl Üretiliyor?

Bilgisayar üreticilerince üretilen işlem gücü muazzam bilgisayarlara rağmen henüz, hız ve işlem kapasitesi bakımından günümüzün bilgisayarları, susuzluğumuzu gidermeye yetmemektedir. Ürettiğimiz bilim ve teknolojiler karmaşıklaştıkça, günümüzde var olan "geleneksel" bilgisayarların ve işlemcilerin (hatta "süperbilgisayarların" bile) işlem gücü, bu kadar devasa verileri işlemeye yeterli olamamaktadır. Örneğin Evren'in kapsamlı simülasyonları ya da evrimsel süreçte belli bir popülasyonun son 250.000 yıldaki değişiminin analizi gibi işlemleri tamamlayabilmek için evlerinizde kullandığınız bilgisayarların yüzlerce ve hatta binlerce yıl boyunca aralıksız çalışması gerekirdi! Süperbilgisayarlarla bile bu tür analizler kimi zaman birkaç ay kadar sürebilmektedir. Dolayısıyla incelemek istediğimiz veri miktarı arttıkça, devasa süperbilgisayarlarımız bile hesap makinesi gibi kalmaktadır. Peki, bir gün ihtiyacımız ve istediğimiz güçte işlem gücüne sahip bilgisayarlara sahip olabilecek miyiz?

Günümüz teknolojisine hız ve güç katan, her geçtiğimiz sene birazcık daha küçülen transistörler ve mikroişlemcilerdir. Küçülmek neden daha fazla hız ve güç demek diye sorabilirsiniz. Sebebi çok basit: Eskiden belli bir alana 100 işlemci sığdırabilirken, artık birebir aynı alana 100.000 işlemci sığdırabiliyoruz. Transistör kapı açıklıklarını daha da küçük boyutlarda ürettikçe, söz konusu işlemcilerin aynı alana sığabilecek olan sayısı daha da fazla olacaktır. 

Ancak bir problem var... Moore Yasası'nın öngördüğü gibi, eğer bir mikroişlemci üzerindeki transistor sayısı her 18 ayda 2 katına çıkmaya devam ederse 2020-2030 yıllarında da atomik ölçekle ölçülen mikroişlemci devreleri görebilirsiniz. Ne var ki Moore Yasası'nın öngörüsü, bundan önceki birkaç on yıldır doğru işlese de, artık işlemcilerimize yerleştirdiğimiz transistörlerin boyutu çok fazla küçüldüğü ve boyut bariyerleriyle karşılaşmaya başladığımız için pek de geçerli değildir. Dolayısıyla, artık sadece elektrik akımını kullanan araçlar yeterli olamaz; bunun yerine, bilgisayarın bellek ve işleme görevlerini gerçekleştiren atom altı parçacıkların özelliklerinden faydalanmak gerekmektedir. 

Şöyle düşünün: 1970 yılında transistör kapı açıklığı 10 mikron civarındaydı (1 mikron, 1 metrenin milyonda biridir). 1980'de bu büyüklük 5 mikrona düştü. 1990 yılında 1 mikrona... 2000 yılında 0.1 mikrona, yani 100 nanometreye (1 nanometre, 1 metrenin 1 milyarda biridir). 2009 başında 50 nanometreye, sonunda 32 nanometreye... 2012'de 19 nanometre, 2014'te 10 nanometreye ve nihayetinde, 3 milyar dolarlık yatırım, 10 çığır açıcı araştırma sonucunda, 9 Temmuz 2015'te 7 nanometreye... 

Tahmin edebileceğiniz gibi, her bir basamakta daha fazla araştırma, daha fazla para, daha fazla emek gerekiyor. Ancak "ite kaka" ilerleyebiliyoruz. Peki bunun sonu nedir? Nanometreden hemen sonra Angstrom adı verilen ölçü gelmektedir ki, atomların büyüklükleri bu birimle ölçülmektedir. Bu transistörler, en nihayetinde fiziksel yapılardır. Dolayısıyla atomlardan oluşurlar. Eğer ki atom boyutundan daha küçük açıklıklara sahip parçalar üretmek istersek, bu imkansızlaşır. Çünkü atom altı seviyeye inmek gerekir. Artık atomlardan söz edemeyiz. Bu durumda, atom altı parçacıkların dünyasına adım atarız. Yani kuantum dünyasına!

Transistörlerin icadı, bilgisayarları mümkün kılarak çağ atlattı. Kuantum bilişimin mümkün kılacağı teknoloji devrimi ise, kuantum bilgisayarları üreterek önümüzdeki birkaç on yılın çağ açıcı yeniliklerinin kapısını aralayacak. Peki kuantum bilişim nedir? Kuantum bilgisayarlar nasıl çalışır? Kuantum düzeyde mühendislik nasıl yapılır? 

Seed Magazine

Kuantum Bilgisayarların Çalışma Prensibi Nedir?

Bildiğimiz anlamda bilgisayarlar bilgiyi ikili sayı sistemi (1 ya da 0) üzerinden “bit” olarak düzenler. Buna göre, bir şeyin dijital dünyada temsil edilişi “olmak” ya da “olmamak” esasına dayanır. Kuantum bilgisayarlar ise bilgiyi tek bir atomun karşılık geldiği “kübit” (kuantum bit) üzerinden işler. Bunu yaparken de kuantum fiziğinde tuhaf bir olgu olan “süperpozisyon” ilkesini kullanır. Süperpozisyon, bir atomun “aynı anda” iki ya da ikiden fazla durumda bulunabilmesi demektir. Normal bitler 1 ya da 0 değerlerini kullanırken, süperpozisyon sayesinde kübitler aynı anda hem 1 hem 0 hem de bu ikisi arasındaki değerleri alabilir. 

Sağduyumuza ters düşen bu ilke temelinde çalışan kuantum bilgisayarların nasıl muhteşem bir işlem gücü sergileyebileceğini gelin bir örnekle açıklayalım. Diyelim ki Ege Bölgesi’ndeki şehirleri sizin için en hesaplı olacak şekilde gezmek istiyorsunuz. Bunun için, normalde, en ekonomik farklı rotaları, en hesaplı bilet ve otel tarifelerini uzunca bir süre araştırmanız gerekirken, bir kuantum bilgisayar tüm bu olasılıkları aynı anda değerlendirerek en kısa sürede size en ucuz rotayı çıkartacaktır.

Maalesef ki süperpozisyon birtakım teknik sorunları (hataları) da beraberinde getiriyor. Kuantum sistemlerinde bu hataları çözmek ise başlı başına bir problem çünkü atom altı dünyanın herhangi bir madde veya radyasyon ile etkileşime açık olan hassas yapısı, bir elektrona bağlı olarak var olan bilginin de herhangi bir müdahalede bozulmasına yol açıyor. 

Ancak geçtiğimiz yıllarda IBM araştırmacıları, iki tür hatayı aynı anda çözmeyi kübitlerin hassas yapısını bozmadan sağlayarak gündelik hayatta kullanılabilecek kuantum bilgisayarlar geliştirme önündeki engellerden birini aşmış oldular. Eğer daha fazla engel aşılabilirse, kuantum bilgisayarlardan pek çok alanda pratik olarak faydalanabileceğiz.

Yani, en azından teoride, kuantum bilgisayarlar herhangi bir silikon tabanlı bilgisayardan (bugün kullandıklarımızdan) çok daha hızlı ve zor işlemleri gerçekleştirme potansiyeline sahiptir. Günümüzde bilim insanları zaten belli başlı işlemleri yapabilen temel kuantum bilgisayarları inşa etmişlerdir ama daha pratik kuantum bilgisayarlar için uzun yıllara ihtiyaç vardır.

Evrim Ağacı'ndan Mesaj

Neden Desteğe İhtiyacımız Var?

Aslında maddi destek istememizin nedeni çok basit: Çünkü Evrim Ağacı, bizim tek mesleğimiz, tek gelir kaynağımız. Birçoklarının aksine bizler, sosyal medyada gördüğünüz makale ve videolarımızı hobi olarak, mesleğimizden arta kalan zamanlarda yapmıyoruz. Dolayısıyla bu işi sürdürebilmek için gelir elde etmemiz gerekiyor.

Bunda elbette ki hiçbir sakınca yok; kimin, ne şartlar altında yayın yapmayı seçtiği büyük oranda bir tercih meselesi. Ne var ki biz, eğer ana mesleklerimizi icra edecek olursak (yani kendi mesleğimiz doğrultusunda bir iş sahibi olursak) Evrim Ağacı'na zaman ayıramayacağımızı, ayakta tutamayacağımızı biliyoruz. Çünkü az sonra detaylarını vereceğimiz üzere, Evrim Ağacı sosyal medyada denk geldiğiniz makale ve videolardan çok daha büyük, kapsamlı ve aşırı zaman alan bir bilim platformu projesi. Bu nedenle bizler, meslek olarak Evrim Ağacı'nı seçtik.

Eğer hem Evrim Ağacı'ndan hayatımızı idame ettirecek, mesleklerimizi bırakmayı en azından kısmen meşrulaştıracak ve mantıklı kılacak kadar bir gelir kaynağı elde edemezsek, mecburen Evrim Ağacı'nı bırakıp, kendi mesleklerimize döneceğiz. Ama bunu istemiyoruz ve bu nedenle didiniyoruz.

Destek Ol

Kuantum Bilgisayarların Tarihi...

Kuantum bilgisayarların kökenini bulmak için çok geriye gitmek gerekmiyor. Bilgisayarlar her ne kadar 20. yüzyılda icat edildiyse de, ilk kuantum bilgisayarlar sadece 30 yıl önce, Argonne Ulusal Laboratuvarında bir fizikçi olan Paul Benioff tarafından kuantum teorisi uygulanarak teorize edilmiştir. Bu yazıyı okumak için kullandığınız çoğu bilgisayar, "Turing Teorisi"ne dayanmaktadır. Bu teoriyi kısaca tanıyacak olursak:

Turing Teorisi dahilinde hayal edilen soyut bir düşünce olan "Turin makinası", Alan Turing tarafından 1930'da geliştirilmiş, küçük karelere bölünmüş sınırsız uzunlukta banttan oluşan bir teorik cihazdır. Her kare bir rakam veya sembol tutar (1 veya 0). Bir okuma-yazma cihazı belli bir programı gerçekleştirmek için makineye talimatları veren bu rakam ve sembolleri okur. Bu makine, gerçek bir bilgisayar değildir; sadece, bilim insanlarının bir makinenin işlem gücünü anlayabilmeleri için geliştirilmiş hayali bir cihazdır. Dolayısıyla, kuantum bilgisayarlar ile silikon bilgisayarlar arasındaki farkı anlamak için de, bu "Turing Makinası" ile "Kuantum Turing Makinası" arasındaki farka bakılabilir. Normal bir Turing makinasıyla sadece bir seferde bir hesaplama yapmak mümkünken, bir kuantum Turing makinası ile aynı anda birçok hesaplama yapabilir.

Bugünün bilgisayarları ikilik sayı sistemiyle (0 ve 1) çalışırken, kuantum bilgisayarlar 2 bitle sınırlı değildir ve kuantum-bitleri (qubits) denen kodlama sistemiyle çalışırlar. Kuantum bilgisayarların bellek ve işlemcileri, sadece elektron akışını değil, atomları, iyonları, fotonları, elektronları veya ileri boyutta diğer atomaltı parçacıkları kullanır. Kuantum bilgisayarlar aynı anda birçok işlemi gerçekleştirmek için atomaltı parçacıklara ihtiyaç duyar. Daha sonra bu farklı atomaltı parçacıklardan elde edilen verileri bir araya getirerek tekil bir işleme dönüştürürler. Buna, "süperpozisyon" adı verilir. Kubitlerin, bitlerden farklı olarak sahip olduğu bu süperpozisyon özelliği, kuantum bilgisayarlara kendi yapısal/içsel parallel işlem kapasitesini veren unsurdur. Bu paralellik (paralelizm) sayesinde bir kuantum bilgisayar, sıradan bir bilgisayara göre kat kat yüksek işlem gücüne sahip olur.

Son olarak, kuantum bilgisayarlar alanındaki bazı gelişmelere bir göz atalım. Bahsettiğimiz gibi, kuantum bilgisayarların gelecekte günümüzdeki bilgisayarların yerini alması umulmaktadır. Ancak şu an için pratik şekilde kullanılabilir bir kuantum bilgisayar geliştirmek için gerekli teknolojiye sahip değiliz. Bu nedenle kuantum bilgisayarlar alanında çalışmalar halen oldukça teorik bir boyutta sürdürülüyor. Buna rağmen, birkaç anahtar gelişme sayesinde son yıllarda bu alanda birçok adım atılabilmiştir.

• 1998: Los Alamos Ulusal Laboratuvarı ve MIT araştırmacıları alanin (kuantum hata düzeltmek için kullanılan klor içeren bir hidrokarbon) içeren sıvı bir çözelti ile moleküllerde üç nükleer spin boyunca tek bir kubit üretmeyi başardılar. 
• 2000: Mart ayında, Los Alamos Ulusal Laboratuvarı'nda bilim insanları sıvı bir damla içinde 7-kubit kuantum bilgisayarın gelişimini duyurdu. Kuantum bilgisayarlarda, transkrotonik asit, 6 hidrojen, 4 karbon atomundan yapılmış moleküllerden oluşan basit moleküllerin atomik çekirdek partikülleri işlenmek için Nükleer Manyetik Rezonans (NMR) kullanılır. NMR, parçacıklara elektromanyetik darbeler uygularlar. Manyetik alana paralel ya da karşı pozisyondaki bu parçacıklar kuantum bilgisayarlar ile dijital bilgisayarların bitlik bilgi kodlama özelliğini taklit ederler.
• 2001: IBM ve Stanford Üniversitesi'nden bilim insanları başarıyla kuantum bilgisayara "Shor Algoritması"nı (şifrelemeyle ilgili bir algoritma) işlemeyi ve görüntülemeyi başardı.
• 2005: Innsbruck Üniversitesi Kuantum Optik ve Kuantum Bilgi Enstitüsü'nden bilim insanları, iyon tuzakları kullanarak ilk kubayt'lık (8 kubit) dizi üretmeyi başardıklarını açıkladı.
• 2007: Kanadalı bir şirket, 16-kubitlik kuantum bilgisayar üretti. Bilgisayar bir sudoku bulmaca ve desen eşleştirme problemlerini başarıyla çözdü.

Bu şekilde devam eden gelişmeler sayesinde, gelecekte daha işlevsel ve genel amaçlı kuantum bilgisayarlar inşa edilebilir. Bunların aşırı karmaşık kodları çözmede, şifrelemede ve yüksek karmaşıklık değerine sahip analizleri yapabilme konusunda yararlı olacakları umulmaktadır. Ayrıca kubitler sayesinde veri güvenliği konusunda da çağ atlanması umulmaktadır. Genel olarak bakıldığında gelişmeler son derece umut verici olsa da, kuantum bilgisayarların dünya problemlerini çözebilecek seviyeye ulaşması için en azından birkaç düzine kubitlik bilgisayarlara ihtiyaç vardır. Bunlara ne kadar sürede ulaşacağımızı bekleyip göreceğiz.

Kuantum Bilgisayarları Nasıl Üretiyoruz?

Hepimiz suyu kaynattığımızda onun belli bir dereceden sonra kaynamaya başladığını biliriz. Bunun sebebi suya verdiğimiz ısının, su moleküllerinin (atomların) hızını artırmasıdır. Isı atomun hareketini hızlandırır. Buraya kadar her şey yolunda. Peki bu durumun iyon tuzağıyla, ya da daha genel ifadeyle, kuantum bilgisayarlarla olan bağlantısı nedir?

Önce, "iyon kapanı" ya da "iyon tuzağı" nedir sorusunun cevabıyla başlayalım. İyon kapanı (ion trapping) bir atomun vakumda sabit tutularak üzerine deneyler yapmaya yarayan bir tekniktir ve daha isabetli saatlerin ve hatta kuantum bilgisayarların geliştirilmesinde kullanılmaktadır. Bu tekniği şöyle hayal edebilirsiniz. Elinizde bir misket/bilye ve önünüzde de genişçe bir kase olduğunu düşünün. Burada misket, yüklü bir atomu; kase de elektromanyetik bir alanı temsil ediyor olsun. Elinizdeki misketi kasenin kenarından bıraktığınızda ve kaseyi de yuvarlak hareketler yapacak şekilde hafifçe hareket ettirdiğinizde, kasenin içindeki bilyenin (atomun) kasenin dibine doğru ilerlerken tuttuğu süreyi, yani atomun gözlemlenme süresini de böylelikle uzatmış olursunuz. İşin bundan sonraki kısmı ise atomları soğutarak onların hareketini kuantum fiziği elverdiği ölçüde kontrol altına almaktır. Peki atomları soğutarak onların hareketini nasıl yavaşlatabilir ve üzerlerinde deneyler yapabilir hale getiririz?

Lazer Tabancasının Hedefindeki Atom

Yazımızın başında, atomun hareketini hızlandırmak için maddeye ısı vermemiz gerektiğini söyledik. Ancak atomu iyon kapanında kıstırabilmek için onun hızını düşürmemiz, yani onun enerjisinden bir miktar çalmamız gerekiyor. Onu soğutup enerjisini düşürmek için ise hepimizin bildiği lazer ışığı kullanılıyor. Atomu hedef alan lazer atımları sayesinde atom mutlak sıfıra yakın derecelere kadar (–273,15 °Celsius civarına kadar) soğutularak hızı düşürülüyor. Bunu dilerseniz bir örnekle açıklayalım.

Bir yöne doğru süratle koştuğunuzu ve karşıdan birinin sizin göğsünüze isabet edecek olan bir futbol topunu hızlıca attığını düşünün. Bu, hem hızınızı hem de hareket enerjinizi düşürecektir. Elbette topun durumu da bundan farklı değildir. Benzer şekilde, ışığın da bir enerjisi ve momentumu vardır ve atomun hareket yönünün aksine doğru ilerleyen bir ışık, atomun enerjisini düşürecek ya da atomu yavaşlatacaktır. Deneylerde lazer ışığının tercih edilme sebebi ise lazerin oldukça fazla enerjiye sahip ama bir o kadar da ‘soğuk’ oluşudur. Bunu da saatte yaklaşık 1600 km (saatte bin mil) bir hızla, yani oldukça yüksek bir enerji seviyesinde hareket edip de yine de soğukluğundan bir şey kaybetmeyen bir buz küpüne benzetebilirsiniz.

Kuantum Bilgisayarın İşlem Birimi Olarak Atomlar

Soğutularak elektron kaybeden bir atom, yani bir iyon, ufak bir mıknatıs olarak düşünülebilir. Klasik anlamda konuşacak olursak böylesi bir atom ya “kuzey kutbu” yani 1’i ya da “güney kutbu” yani 0’ı temsil eder ve buna göre bilgi saklar. Ancak kuantum dünyasındaki bir mıknatıs sadece kuzeyi ya da güneyi göstermez, aynı zamanda arada kalan diğer yönleri de (bütün olasılıkları da) gösterir ki bu durum bilgiyi saklama ve hatta onu işleme tabi tutma bakımlarından müthiş bir potansiyel barındırır.

“Bugün Tekil Kuantum Sistemin Manipülasyonunun Mekaniği Modundayım!”

Kuantum bilgisayarların geliştirilmesine öncülük edecek olan bir atılım 2012’de Dr. Wineland ve ekibi tarafından gerçekleştirildi. Ekip, kapana hapsettikleri yüklü berilyum atomları üzerine olan deneyleri sayesinde dünyanın en hassas saatini yaparak Nobel Fizik Ödülü’nü almaya hak kazandılar. Ancak bu öylesine büyük bir başarıydı ki kuantum bilgisayarlara doğru açılan kapıyı aralayacaktı çünkü tekil kuantum cisimleri üzerine olan bu çalışmaları, kuantum bilgisayarların işlem birimi olan “kübit”lerin gelişimine öncülük edecekti. 

Gelelim “Bugün tekil kuantum sistemin manipülasyonunun mekaniği modundayım” sözlerinin sahibine… Bu kişinin Nobel Ödülü'nü alan Dr. Wineland olduğunu düşünüyorsanız, şimdiden söyleyelim, yanılıyorsunuz. Buraya kadar konunun ağırlığından biraz sıkılmış olabilirsiniz diye işin içine biraz magazin katarak sizi şaşırtalım ve yazımıza nokta koyalım istedik. Evet, yukarıdaki söz, ses sanatçısı Yılmaz Morgül’e ait:

Bunun nasıl bir mod olduğunu pek bilemesek de iyi bir ruh halidir umarız.

Agora Bilim Pazarı

Gargantua Nakışlı %100 Pamuklu T-Shirt - S

Devamını Göster

₺699.90

Satın Al Tüm Ürünler

• Dış Sitelerde Paylaş

Elmaslar Kuantum Mekaniği İçin Neden Önemli?

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.’ ”

NK4

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.

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.

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. 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.

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.

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, yukarıda 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.

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.

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.

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.

doi: 10.47023/ea.bilim.4136