Kuantum mühendisleri, Schrödinger’in kedisi isimli düşünce deneyini antimon atomunu kullanarak bir silikon çipin içinde gerçekleştirdi.
University of New South Wales (UNSW) Sydney’deki kuantum mühendisleri tarafından yürütülen bir çalışma, ünlü “Schrödinger’in kedisi” isimli düşünce deneyini bir silikon çipin içinde gerçeğe dönüştürdü. 14 Ocak 2025’te Nature Physics dergisinde yayınlanan çalışma, kuantum hesaplamalarının daha sağlam bir şekilde gerçekleştirilmesini sağlayarak, kuantum bilgisayarı geliştirmenin önündeki en büyük engellerden biri olan hata düzeltme sorununa yeni bir yaklaşım sunuyor.
Kuantum mekaniği, bir asırdan uzun süredir bilim insanlarını ve filozofları meşgul eden bir alan. Bu alandaki en ünlü düşünce deneylerinden biri, bir kedinin yaşıyor ya da ölü olmasının bir radyoaktif atomun bozunmasına bağlı olduğu “Schrödinger’in kedisi” deneyi. Atom doğrudan gözlemlenmediği sürece, hem bozunmuş hem de bozunmamış durumda olduğu varsayılır; dolayısıyla kedi de hem ölü hem canlı bir süperpozisyonda kabul ediliyor.
Kuantum mekaniğinde, bir atomun bozunması, atomun kararsız bir durumdan daha kararlı bir duruma geçmesiyle sonuçlanan doğal bir süreç olarak tanımlanıyor. Bu sırada enerji yayılıyor ve bu olay rastlantısal bir şekilde gerçekleşiyor; yani ne zaman gerçekleşeceği kesin olarak bilinmiyor.
Süperpozisyon ise bir kuantum parçacığının aynı anda birden fazla durumda bulunabilmesi anlamına geliyor. Örneğin, bir atomun hem bozunmuş hem de bozunmamış hallerde olabildiği varsayılıyor. Bu, ancak doğrudan gözlem yapıldığında belirgin bir duruma geçiyor. Schrödinger’in kedisi düşünce deneyi de bu kavramları, bir kedinin aynı anda hem ölü hem de canlı olabileceği metaforuyla açıklıyor.
UNSW ekibinden Prof. Andrea Morello üniversite bültenine verdiği demeçte, “Hiç kimse bir kediyi hem ölü hem de canlı olarak aynı anda gözlemlemedi. Ancak insanlar, büyük bir farklılık gösteren kuantum durumlarının süperpozisyonunu tarif etmek için bu metaforu kullanıyor,” ifadelerini kullandı.
Araştırmada, standart kuantum bitlerin (kübit) ötesine geçilerek antimon adı verilen ağır bir atom kullanıldı. Çalışmanın baş yazarı Xi Yu, “Antimon atomu, büyük bir nükleer spine ve dolayısıyla büyük bir manyetik dipole sahip. Bu atom, iki yerine sekiz farklı spin yönüne sahip olabilir. Bu durum, sistemin davranışını kökten değiştiriyor,” sözlerini kaydetti.
Spin, kuantum parçacıklarının sahip olduğu temel bir özellik ve genellikle parçacığın kendi etrafında dönmesi gibi düşünülüyor. Nükleer spin ise bir atomun çekirdeğindeki proton ve nötronların toplam açısal momentumu ile tanımlanıyor. Bu özellik, parçacığın manyetik bir dipol gibi davranmasına neden oluyor ve kuantum bilgi işleminde kullanılabiliyor. Örneğin, antimon atomu, standart kübitlerin aksine sekiz farklı nükleer spin yönüne sahip. Bu da birden fazla kuantum durumunun süperpozisyonuna olanak tanıyor ve hata düzeltme için daha dayanıklı bir yapı dunuyor. Antimonun bu özellikleriyle kuantum çiplerinde kullanılabiliyor.
Antimonun spin durumlarının süperpozisyonu, kuantum hesaplama için sağlam bir temel sunuyor. Prof. Morello bu durumu “Normalde kübit yalnızca iki kuantum durumuyla tanımlanır: ‘0’ ve ‘1’. Ancak antimonun çoklu spin yönleri, bir hatanın hemen kodu bozmasını engelliyor,” şeklinde açıklıyor.
Kuantum bilgisayarlar, bilgiyi kübitlerle işliyor, ancak bu kübitler çevresel etkilerden dolayı son derece hassaslar. Küçük bir gürültü ya da dış etki, kübitin kuantum durumunu değiştirebiliyor ve bilgiyi bozabilir. Hata düzeltme, bu tür hataları tespit ederek kuantum bilgiyi koruma süreci olarak ifade ediliyor.
Klasik bilgisayarlardaki hata düzeltmeden farklı olarak, kuantumda bilgi hem ‘0’ hem de ‘1’ durumlarının süperpozisyonunda olduğu için hata düzeltme çok daha karmaşık işliyor. Bu süreç, bir hatanın oluştuğunu tespit etmek, hatanın etkilerini analiz etmek ve bilgiyi orijinal durumuna geri döndürmek için özel algoritmalar ve donanımlar gerektiriyor. Antimon gibi yüksek spinli atomlar, hata düzeltmede daha fazla tolerans sağlayarak bu sorunu çözebiliyor.
Bu bağlamda antimon atomundaki spin durumları, bir “Schrödinger kedisi” süperpozisyonu oluşturuyor. Yu, “Bir hata meydana geldiğinde, bunu hemen tespit edip düzeltebiliyoruz. Metaforik kedimiz, birkaç hata alsa bile ölmekten çok uzak,” diye ekliyor.
Araştırmada kullanılan antimon atomu, bir silikon kuantum çipinin içine yerleştirildi. Bu çip, günümüzde bilgisayarlarda ve telefonlarda kullanılan çiplere benzer bir yapıya sahip ancak tek bir atomun kuantum durumuna erişim sağlayacak şekilde uyarlanmış.
UNSW ekibinden Dr. Danielle Holmes, “Kediyi silikon bir çipte barındırmak, hem kuantum durum üzerinde hassas bir kontrol sağlamamıza hem de bu teknolojiyi günümüzde kullanılan üretim yöntemleriyle ölçeklendirmemize olanak tanıyor,” diyor.
Bu çalışma, hata tespit ve düzeltme gibi kuantum hesaplama aşamaları için kritik bir adımı geliştirebilir. Daha da önemlisi, bu teknoloji kuantum bilgi işlem ve hata düzeltme uygulamaları için ölçeklenebilir bir platform sunuyor. Ayrıca, yüksek boyutlu kuantum sistemlerinin kuantum bilgi işleme için nasıl verimli bir kaynak sunduğunu ve kuantum hata düzeltme için gerekli olan donanım verimli kodlamalar sağlayabileceğini gösteriyor.
Kaynak: UNSW
