Kuantum Hesaplamaya Adım Adım: Bir Mantık İşlemi, Ayrık İyonlar Arasında İlk Defa "Işınlandı"!

Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’ndeki (NIST) fizikçiler, kuantum mantık işlemi olarak bilinen bir bilgisayar komutunu iki ayrık iyon (elektrikle yüklü atomlar) arasında ışınladılar ve kuantum bilgisayar programlarının verilen görevleri geleceğin büyük ölçekli kuantum ağlarında nasıl gerçekleştirebileceğini gösterdiler.

Kuantum ışınlama, veriyi, birbirinden tamamen izole edilmiş olsalar bile (iki ayrı binanın bodrumlarında bulunan iki kitap gibi), bir kuantum sisteminden (örneğin bir iyon) diğerine (örneğin bir ikinci iyon) aktarır. Işınlamanın gerçek hayattaki formunda, tüm insanları uzay gemisinden gezegene ışınlanabildiği Star Trek versiyonunun aksine, maddeler değil sadece kuantum bilgisi aktarılır.

Kuantum verilerinin ışınlanması daha önce iyonlarla ve diğer kuantum sistemleriyle gösterilmişti. Fakat yeni çalışma, geleceğin kuantum bilgisayarlarının mimarisi için önde gelen aday olan, iyonları kullanarak eksiksiz bir kuantum mantık işleminin ışınlanması işlemini başarı ile tamamlayan ilk çalışma olma niteliği taşıyor. Deneyler, 31 Mayıs tarihli Science dergisinde anlatılmıştır. Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’nde (NIST) fizikçi olan Dietrich Leibfried şöyle diyor:

Mantık işlemimizin tüm iki kuantum bitinin tüm girdi durumlarında %85 ila %87 ihtimal ile çalıştığını doğruladık – mükemmelden uzak, fakat bu bir başlangıç.

Tam ölçekli bir kuantum bilgisayar, eğer inşa edilebilirse, mevcut durumda çözülmesi çok zor olan problemleri çözebilir. NIST, kuantum bilgisayarlar üretimi konusu da dahil olmak üzere, kuantum davranışlarından pratik teknolojilerde yararlanma konusundaki küresel araştırmalara katkıda bulunmuştur.

Kuantum bilgisayarların umulduğu gibi performans gösterebilmesi için, muhtemelen milyonlarca kuantum bitlerine, diğer adıyla kübitlere ihtiyaçları olmasının yanı sıra, büyük ölçekli makineler ve ağlar arasında dağıtılmış olan bu kübitlerin arasındaki işlemlerin yönetilmesi de gerekiyor. Mantık işlemlerinin ışınlanması bunu doğrudan kuantum mekaniksel bağlantılar olmadan yapmanın bir yoludur (klasik bilgi alışverişi için fiziksel bağlara hala ihtiyaç duyulacak).

NIST ekibi bir iyon tuzağının birbirinden 340 mikrometreden (metrenin milyonda biri) fazla ayrılmış olan bölgelerinde bulunan iki berilyum iyon kübiti arasında kuantum kontrollü-DEĞİL (CNOT) mantık işlemini (ya da mantık kapısını) ışınladı. Aralarındaki mesafe hiçbir doğrudan etkileşime imkân vermeyecek şekilde ayarlanmıştı. Bir CNOT işlemi sadece ilk kübit 1 ise çalışır ve ikinci kübiti 0’dan 1’e çevirir veya tam tersi durumda ikinci kübiti 1’den 0’a çevirir, eğer ilk kübit 1 ise hiçbir işlem yapılmaz. Tipik kuantum tarzında, her iki kübit de “süperpozisyon” durumunda bulunabilir ve bu durumda hem 0 hem de 1 değerini eşzamanlı olarak alırlar.

NIST ışınlanma işlemi parçacıkların kuantum özelliklerini, birbirlerinden ayrılmış olsalar dahi, birbirine bağlayan dolaşıklığa dayanır. Berilyum iyonları arasında veri aktarımı için bir çift dolaşık “haberci” magnezyum iyonu kullanıldı (bkz. resim).

NIST ekibi, ışınlanan CNOT işleminin iki magnezyum iyonunu -- çok önemli bir erken adım -- %95 başarı oranı ile dolaştırdığını, tam mantık işleminin ise %85 ila %87 oranında başarılı olduğunu tespit etti. Leibfried şöyle diyor:

Kapı ışınlanması mekânsal olarak ayrılmış ve daha önce hiç etkileşime girmemiş olabilen iki iyon arasında bir kuantum mantık kapısı oluşturmamıza izin veriyor. İşlemin püf noktası, her birinin yanında başka bir dolaşık çiftin bir iyonuna sahip olmaları ve kapının önünde dağılmış bu dolaşıklık kaynağının klasikte bir karşılığı olmayan bir kuantum hilesi yapmamıza olanak vermesi. Dolaşık haberci çiftlerin bilgisayarın özel bir bölümünde üretilebilir ve bir mantık kapısı ile bağlı olması gereken fakat birbirlerinden uzak olan kübitlere ayrı olarak gönderilebilir.

Ayrıca NIST çalışması ilk defa iyon bazlı büyük ölçekli kuantum bilgisayarların oluşturulmasında gerekli olan ve aralarında farklı tip iyonların kontrolü, iyon taşınması ve sistemin seçili alt kümelerinde dolaşıklık işleminin gerçekleştirilmesinin de bulunduğu birkaç işlem tek bir deneye entegre edildi.

Araştırmacılar bir CNOT kapısı oluşturduklarını doğrulamak amacıyla ilk kübiti 16 farklı girdi durumu kombinasyonunda hazırladılar ve ardından ikinci kübit üzerinden çıktıları ölçtüler. Bunun sonucunda işlemin çalıştığını gösteren genelleştirilmiş bir kuantum “doğruluk tablosu” oluşturuldu. Araştırmacılar doğruluk tablosu oluşturmanın yanı sıra, deney düzeneğindeki hata kaynaklarını saptamaya yardımcı olmak için aşırı genişletilmiş çalışma zamanlarında verinin tutarlılığını kontrol ettiler. Bu tekniğin gelecekteki deneylerde kuantum bilgi işlemelerini karakterize etmede önemli bir araç olması beklenmektedir.