Bilim insanları, kuantum bilgisayarlarda bilgi kaybına yol açan dekohereyi azaltmak için fononik bant aralıklı özel bir malzeme geliştirdi.
Kuantum bilgisayarlar, belirli hesaplama ve optimizasyon problemlerinde klasik bilgisayarlardan daha üstün performans gösterebilme potansiyeline sahip. Ancak kuantum sistemlerinin en büyük zorluklarından biri, çevresel etkileşimler nedeniyle bilgi kaybına uğramaları, yani dekohere süreciyle karşı karşıya kalmaları.
Dekohere, kuantum bitlerinin (kübit) süperpozisyon ve dolanıklık gibi kuantum özelliklerini zamanla kaybetmesi anlamına geliyor. Bu süreç, kuantum bilgisayarların güvenilirliğini ve işlem doğruluğunu doğrudan etkileyerek sistemde hata oranlarını artırıyor.
Dekoherenin temel sebepleri arasında malzeme kusurları, sıcaklık değişimleri ve elektromanyetik dalgalanmalar bulunuyor. Özellikle katı hal sistemlerinde, “iki seviyeli sistemler” (TLS) olarak bilinen malzeme kusurları, kübitlerin stabilitesini bozarak hatalara yol açıyor. TLS’ler, iki enerji seviyesi arasında rastgele geçiş yaparak kuantum durumlarını kararsız hale getirebiliyor. Bilim insanları uzun süredir bu etkileri en aza indirecek yöntemler geliştirmeye çalışıyor.
Bu alandaki son çalışmalardan biri, Kaliforniya Üniversitesi Berkeley ve Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndan araştırmacılar tarafından gerçekleştirildi. Nature Physics dergisinde yayınlanan araştırmada, bilim insanları, fononik mühendislik kullanarak TLS kaynaklı dekohereyi baskılayan özel bir malzeme tasarladı. Bu yeni malzeme (yani fononik bant aralıklı bir metamadde) kübitlerin çevreleriyle etkileşimini sınırlandırarak kuantum bilgisi kaybını azaltmayı amaçlıyor.
Çalışmanın başyazarı Alp Sipahigil, Phys.org’un haberine göre bu yeni yaklaşımı “Kuantum sistemlerinde dekohereye yol açan temel süreçleri anlamak ve bunları kontrol etmek istiyoruz. Kuantum donanımları kusursuz malzemelerden üretilmiyor ve kübitlerin çevreleriyle nasıl etkileşime girdiğini dikkate almak gerekiyor. Çalışmamız, ‘Eğer bir süper iletken kübitin fonon yayarak enerji kaybetmesi önlenseydi ne olurdu?’ sorusundan yola çıktı,” sözleriyle açıkladı
Araştırma ekibi, fononik mühendislik tekniklerini kullanarak kuantize edilmiş titreşimleri (fononları) kontrol eden özel bir malzeme geliştirdi. Süper iletken qubit’leri bu malzemeye entegre ederek, qubit’lerin TLS’lerle olan etkileşimini büyük ölçüde baskılamayı başardılar.
Sipahigil, “Bir süper iletken kübit bozunduğunda, enerjisini genellikle fononlar aracılığıyla çevreye yayar ve bu süreç geri döndürülemez bir şekilde gerçekleşir. Biz bu fonon yayılımını engelleyen özel bir fononik bant aralıklı metamadde tasarlayarak, kübitin enerji kaybını büyük ölçüde azalttık. Kübit üzerinde yaptığımız ölçümler, TLS’lerin ömrünün uzadığını ve kuantum sisteminin zaman içinde daha stabil hâle geldiğini gösterdi,” sözlerini kaydetti.
Deneyler, yeni geliştirilen fononik bant aralıklı malzemenin, bir kübitin uyarılmış halde kalma süresini, yani gevşeme süresini uzattığını ortaya koydu. Ayrıca, bu ortamda bulunan kübitlerin, kuantum sistemleri için önemli olan Markov dışı dinamikler sergilediği tespit edildi. Bu, kuantum bilgisayarların kontrol edilebilirliğini artırabilecek yeni tasarım stratejilerine kapı aralayabilir.
Kübitlerin elektromanyetik ortamlarını kontrol etmenin yaygın bir yöntem olduğunu vurgulayan Sipahigil, “Ancak çalışmamız, fononik ortamın da tasarlanmasının, süper iletken qubit performansını önemli ölçüde artırabileceğini gösteriyor. Bu, gelecekte kuantum bilgisayarların daha stabil ve verimli çalışmasına yardımcı olabilir,” şeklinde konuştu.
Araştırmacılar, fononik mühendisliğin kuantum bilgisayarların performansını artırmada kritik bir rol oynayabileceğini düşünüyor. Önümüzdeki dönemde, kübitlerin hem elektromanyetik hem de fononik ortamlarının birlikte optimize edilerek, çok daha uzun ömürlü ve hatasız çalışan kuantum bilgisayarlar geliştirilmesi hedefleniyor.
Kaynak: Nature Physics
