Gizli Simetri Ultra Güçlü Kuantum Bilgisayarların Anahtarı Olabilir

Araştırmacılar, son derece kırılgan kuantum sistemlerini gürültüden korumanın bir yolunu buldular; bu, ultra güçlü kuantum bilgisayarlar gibi yeni kuantum cihazlarının tasarımına ve geliştirilmesine yardımcı olabilir.

Cambridge Üniversitesi’nden araştırmacılar, mikroskobik parçacıkların, aralarında rastgele kesintiler olsa bile, uzun mesafelerde içsel olarak bağlantılı veya dolaşmış kalabileceğini gösterdiler. Kuantum teorisinin matematiğini kullanarak, kuantum sistemlerinde önceden bilinmeyen bir simetriden yararlanarak, karışık parçacıkların gürültü varlığında bile hazırlanıp stabilize edilebileceği basit bir kurulum keşfettiler.

Dergide rapor edilen sonuçları Fiziksel İnceleme MektuplarıGürültülü ortamlarda kuantum efektlerini koruyarak gelecekteki teknolojide devrim yaratabilecek gizemli kuantum dünyasına yeni bir pencere açın ki bu, böyle bir teknolojiyi geliştirmenin önündeki en büyük engeldir. Bu kabiliyetten yararlanmak, ultra hızlı kuantum bilgisayarların kalbinde yer alacak.

“Kuantum sistemlerini daha sağlam hale getirmenin bir yolunu bulana kadar, onların gerçek dünyadaki uygulamaları sınırlı olacak.” – Shovan Dutta

Kuantum sistemleri, atomik seviyedeki parçacıkların kendine özgü davranışları üzerine inşa edilmiştir ve karmaşık hesaplamaların gerçekleştirilme biçiminde devrim yaratabilir. Normal bir bilgisayar biti, bire veya sıfıra ayarlanabilen bir elektrik anahtarı iken, bir kuantum biti veya kübit, aynı anda bir, sıfır veya her ikisine de ayarlanabilir. Dahası, iki kübit dolaşık olduğunda, biri üzerindeki bir işlem, ne kadar uzakta olursa olsun, diğerini hemen etkiler. Bu ikili durum, bir kuantum bilgisayara gücünü veren şeydir. Normal bitler yerine dolaşık kübitlerle oluşturulan bir bilgisayar, en güçlü süper bilgisayarların bile kapasitesinin çok ötesinde hesaplamalar yapabilir.

Gazetenin ilk yazarı olan Cambridge Cavendish Laboratuvarı’ndan Dr. Shovan Dutta, “Ancak, kübitler son derece titiz şeylerdir ve çevrelerindeki en ufak bir gürültü, dolanmalarının bozulmasına neden olabilir” dedi. “Kuantum sistemlerini daha sağlam hale getirmenin bir yolunu bulana kadar, onların gerçek dünyadaki uygulamaları sınırlı olacak.”

Pek çok şirket – en önemlisi IBM ve Google – çalışan kuantum bilgisayarlar geliştirdiler, ancak şimdiye kadar bunlar 100 kübitten daha azıyla sınırlıydı. Gürültüden neredeyse tamamen izole olmayı gerektirirler ve o zaman bile birkaç mikrosaniye gibi çok kısa ömürleri vardır. Her iki şirketin de önümüzdeki birkaç yıl içinde 1000 kubit kuantum bilgisayar geliştirme planları var, ancak kararlılık sorunları çözülmedikçe kuantum bilgisayarlar pratik kullanıma ulaşamayacak.

Şimdi, Dutta ve ortak yazarı Profesör Nigel Cooper, çok sayıda kübit çiftinin çok fazla gürültüyle bile dolaşık halde kaldığı sağlam bir kuantum sistemi keşfetti.

Atomik bir sistemi, atomların birbirleriyle güçlü bir şekilde etkileşime girerek, kafesin bir bölgesinden diğerine atlayarak oluşturdukları bir kafes oluşumunda modellediler. Yazarlar, kafesin ortasına gürültü eklenirse, sol ve sağ taraflar arasında dolaşan parçacıkları etkilemediğini buldular. Bu şaşırtıcı özellik, bu tür dolaşık çiftlerin sayısını koruyan özel bir simetri türünden kaynaklanmaktadır.

Dutta, “Bu stabilize edilmiş türden bir karışıklığı hiç beklemiyorduk,” dedi. “Bu gürültülü sistemlerde çok nadir görülen bu gizli simetriye rastladık.”

Bu gizli simetrinin dolaşık çiftleri koruduğunu ve sayılarının sıfırdan büyük bir maksimum değere kadar kontrol edilmesini sağladığını gösterdiler. Benzer sonuçlar, geniş bir fiziksel sistem sınıfına uygulanabilir ve deneysel platformlarda zaten var olan bileşenlerle gerçekleştirilebilir ve gürültülü bir ortamda kontrol edilebilir dolanmanın yolunu açar.

Dutta, “Kontrolsüz çevresel rahatsızlıklar, dolanma gibi kuantum etkilerinin hayatta kalması için kötüdür, ancak belirli türdeki rahatsızlıkları kasıtlı olarak tasarlayarak ve parçacıkların nasıl tepki verdiğini görerek çok şey öğrenilebilir. “Basit bir rahatsızlık türünün aslında birçok dolaşık çifti üretebileceğini ve koruyabileceğini gösterdik, bu da bu alandaki deneysel gelişmeler için harika bir teşvik.”

Araştırmacılar, teorik bulgularını gelecek yıl içinde deneylerle doğrulamayı umuyorlar.