Kaliforniya Üniversitesi Los Angeles (UCLA) araştırmacıları, kuantum mekaniği ile klasik fiziği buluşturan yeni bir donanım prototipi geliştirdi.
Bir kargonun en hızlı şekilde hangi güzergahtan ulaştırılacağı, bir fabrikanın üretim hattının en verimli biçimde nasıl düzenleneceği ya da bir yapay zekanın milyarlarca olasılık arasından en uygun seçeneği nasıl seçeceği gibi gündelik kararlar, aslında görünmez matematik problemleri içeriyor.
Tüm bunlar optimizasyon problemleri olarak adlandırılıyor. Bu problemler, çok sayıda ihtimal arasından en iyi çözümü bulmayı gerektiriyor, ancak olasılıkların sayısı arttıkça klasik bilgisayarların işlem gücü yetersiz kalabiliyor. İşte bu noktada, UCLA’da geliştirilen kuantum malzeme tabanlı osilatör ağı bu zorluğa çözüm sunmayı hedefliyor.
Araştırmacılar elektriksel aktiviteyi, malzeme içinde yayılan titreşimlerle ilişkilendiren kuantum özelliklerine dayalı bir cihaz üretti. UCLA Nanofabrication Laboratory’de üretilen osilatörler, UCLA Phonon Optimized Engineered Materials laboratuvarında test edildi. Pek çok kuantum bilgi işlem uygulamasının aksine, bu cihazın kuantum özelliklerini koruması için aşırı düşük sıcaklıklara ihtiyaç duyulmuyor. Cihaz, oda sıcaklığında çalışabiliyor.
Ekip, bilgiyi tamamen dijital olarak temsil etmek yerine, belirli frekanslarda ileri geri hareket eden bileşenlerden oluşan bir osilatör ağı kullanıyor. Ising makinesi olarak bilinen bu tür bilgisayar mimarisi, paralel hesaplamada yapabiliyor, yani çok sayıda karmaşık işlemi aynı anda gerçekleştirebiliyor. Osilatörler senkronize olduğunda, optimizasyon problemi çözülmüş oluyor.
Araştırma ekibinin geliştirdiği sistem, birbirine bağlanmış osilatörlerden oluşuyor. Bu osilatörler doğal olarak en düşük enerji durumuna evrilirken senkronize hale geliyor. Bu senkronizasyon, makinenin optimizasyon problemlerini çözmesine imkan veriyor. Yani sistem, doğanın kendi eğilimlerini kullanarak zor matematiksel hesaplamaları enerji açısından daha verimli biçimde gerçekleştirebiliyor.
Çalışmanın temelinde, tantalum sülfür (TaS₂) adı verilen özel bir kuantum malzeme bulunuyor. Bu iki boyutlu malzeme, elektriksel ve titreşimsel fazlar arasında geçiş yapabilme özelliğiyle öne çıkıyor. Araştırmacılar, bu özellik sayesinde kuantum düzeyindeki olgular ile günlük yaşamda geçerli olan klasik fizik arasında bir köprü kuruyor.
Makalenin yazarı Alexander Balandin, “Bu yöntem, güçlü biçimde ilişkili elektron–fonon yoğunlaşması gibi fiziksel olguları kullanarak doğrudan fiziksel süreçler üzerinden hesaplama yapıyor ve böylece daha yüksek enerji verimliliği ve hız sağlıyor.” diyor.
Bu gelişme, hem kuantum fiziği tabanlı hesaplama yöntemleri hem de klasik bilgisayar teknolojileri için önemli bir adım olarak değerlendiriliyor. Özellikle yapay zeka, lojistik planlama, biyoinformatik ve finans gibi çok boyutlu optimizasyon problemlerine dayalı alanlarda büyük fayda sağlayabilir.
Kaynak: Physical Review Applied
