Kuantum hesaplamada devrim: Oda sıcaklığında çalışan kuantum malzemesi geliştirildi

Kuantum durumundaki malzemelerin klasik fiziğin sınırlarını zorlayan sıra dışı özellikleri sayesinde kuantum bilgisayarlar, güvenli iletişim sistemleri ve yeni enerji teknolojileri için büyük umut vadediyor. Ancak bu malzemelerin büyük bölümü yalnızca mutlak sıfıra yakın çok düşük sıcaklıklarda çalışabildiği için pratik kullanımları sınırlı kalıyor.

ABD'deki Louisiana Eyalet Üniversitesi'nden araştırmacılar ise bu engeli aşabilecek önemli bir adım attı. Bilim insanları, oda sıcaklığında kuantum özellikler sergileyebilen yeni bir malzeme geliştirdi. Bulgular, saygın bilimsel dergi Nature'da yayımlandı.

Araştırmacıların geliştirdiği malzeme, cam bir çip üzerine kaplanmış ince bir altın filmden oluşuyor. Bu yüzey, mikroskobik ölçekte açılmış çok sayıda ince yarıkla işlenerek özel bir yapıya dönüştürüldü.

Kuantum durumu nedir ve hesaplamada ne işe yarar?

Klasik fizikte bir cismin konumu ve hızı aynı anda belirli değerlere sahip. Ancak kuantum fiziğinde parçacıklar, ölçüm yapılana kadar tek bir kesin durumda bulunmak yerine, aynı anda birden fazla olası durumda bulunabilir. "Süperpozisyon" diye adlandırılan bu özellik, kuantum mekaniğinin en temel ilkelerinden biri.

Örneğin, klasik bir bilgisayardaki hesaplamanın temeli olan "bit" yalnızca 0 veya 1 olabilir. Kuantum bilgisayarlardaki "kübit" ise aynı anda hem 0 hem de 1 durumlarının birleşiminde bulunabilir. Ölçüm yapıldığında ise bu olasılıklardan biri gözlemlenir.

Kuantum hesaplamanın temel gücü, kuantum durumlarının aynı anda birçok olasılığı temsil edebilmesinden geliyor. Birden fazla kübit birbirine "dolanıklık" adı verilen kuantum bağıyla bağlandığında, sistem çok sayıda olasılığı paralel olarak hesaplayabilir. Bu sayede bazı karmaşık problemlerde klasik bilgisayarlara göre çok daha hızlı hesaplama yapılması mümkün olabilir.

Örneğin büyük sayıların asal çarpanlara ayrılması, karmaşık moleküllerin simülasyonu, yeni ilaçların geliştirilmesi, malzeme tasarımı ve bazı optimizasyon problemleri kuantum bilgisayarların önemli avantaj sağlayabileceği alanlar arasında gösteriliyor.

Öte yandan, kuantum durumları çevredeki en küçük etkileşimlerden bile kolayca etkilenebiliyor. Isı, titreşim, elektromanyetik alanlar veya havadaki moleküller bile parçacıkların kuantum özelliklerini bozabiliyor. Bu olaya "dekoherens" deniyor. Bu nedenle günümüzdeki kuantum bilgisayarların büyük bölümü, kuantum durumlarını koruyabilmek için mutlak sıfıra yakın, yaklaşık -273 dereceye yaklaşan kriyojenik sıcaklıklarda çalıştırılıyor.

Ancak bu durum, bu süper makinelerin gündelik hayatta kullanılmasının önündeki en büyük engellerden biri. Bu yüzden fizikçiler, bu özellikleri oda sıcaklığında korumanın yollarını uzun süredir arıyor.

Isının bozucu etkisini fotonlarla aşıyor

Yeni malzemenin en dikkat çekici özelliği de kuantum davranışını elektronlar ve atomlar yerine fotonlar (ışık parçacıkları) üzerinden kontrol etmesi. Böylece yüksek sıcaklıklarda atom düzeyinde ortaya çıkan düzensizliklerin kuantum özelliklerini bozmasının önüne geçiliyor.

Araştırmacılar bu yapıyı "plazmonik metakristal" olarak tanımlıyor. "Plazmonik" ifadesi, yüzey boyunca ilerleyen ışığın elektronlarda oluşturduğu "plazmon" adı verilen dalgalanmaları ifade ederken, "metakristal" ise doğal olarak oluşmayan, yapay şekilde tasarlanmış kristal anlamına geliyor.

Malzeme üzerindeki mikroskobik yarıklar ise "meta-atom" görevi görüyor. Bu yapılar, farklı foton gruplarının kristal içerisinden nasıl geçeceğini belirleyerek ışığın kuantum özelliklerini kontrol ediyor.

Çalışmanın yazarlarından fizikçi Riley Dawkins, "Plazmonik metakristaldeki meta-atomların dağılımını tasarlayarak hangi kuantum istatistiklerinin yapıdan geçebileceğini sistematik biçimde belirleyebiliyoruz. Kristalimiz adeta kuantum durumları için istatistiksel bir filtre görevi görüyor" dedi.

Kuantum bilgisi kriyojenik soğutma olmadan taşınabilecek

Araştırmacılar, ışık çipe girdikten sonra altın yüzey boyunca ilerlerken meta-atomlar tarafından yönlendirildiğini belirtiyor. Yarıkların boyutu, şekli ve aralıkları değiştirilerek ışığın kuantum düzeyindeki davranışı istenilen şekilde ayarlanabiliyor.

Bu sayede belirli kuantum durumlarının çok daha az bozulmayla taşınması mümkün oluyor.

Fizikçi Omar Magaña-Loaiza, "Buna dayanıklı taşıma diyoruz. Bu kuantum durumları bilgi taşıyor. Kristalimiz bunları ayırt edebiliyor ve kriyojenik soğutmaya ihtiyaç duymadan güvenilir şekilde bir noktadan diğerine aktarabiliyor. Bu da pratik kuantum teknolojilerinin önünü açıyor" ifadelerini kullandı.

Araştırmacılar, çalışmanın henüz kavram kanıtı (proof of concept) aşamasında olduğunu vurgularken, oda sıcaklığında çalışan kuantum cihazlarının geliştirilebileceğini gösterdiğini belirtiyor.

Doğada bulunmayan bir kristal tasarlandı

Çalışmanın araştırmacılarından Chenglong You, "Bu projenin en heyecan verici yönlerinden biri, doğanın kendiliğinden sunmadığı bir malzemeyi tasarlayabildiğimizi görmekti. Tasarladığımız sistemin öngördüğümüz gibi çalışması son derece tatmin ediciydi" dedi.

Araştırma ekibi, geliştirdikleri yöntemin yalnızca bu malzemeyle sınırlı olmadığını, yarıkların boyutları ve dizilimleri değiştirilerek farklı optik özelliklere sahip yeni metakristaller üretilebileceğini ifade ediyor.

Kuantum interneti ve daha verimli güneş panelleri mümkün olabilir

Araştırmada bahsedilen plazmonik metakristal doğrudan bir kuantum bilgisayar değil. Ancak kuantum durumlarını oda sıcaklığında bozulmadan yönlendirebilmesi nedeniyle önemli bir altyapı teknolojisi olarak görülüyor. Araştırmacılar, ışığın taşıdığı kuantum bilgilerini kriyojenik soğutmaya ihtiyaç duymadan güvenilir şekilde aktarabilecek optik çipler geliştirmenin önünü açabileceğini düşünüyor.

Bu da gelecekte kuantum bilgisayarların birbirine bağlanması, kuantum internetinin kurulması ve kuantum sensörlerinin günlük cihazlarda kullanılabilmesi gibi uygulamaları daha pratik hale getirebilir. Başka bir deyişle, bu çalışma kuantum hesaplamanın kendisini değil, kuantum bilgiyi taşıyan ve işleyen donanımın laboratuvar dışına çıkmasını sağlayabilecek önemli bir adım.

Bilim insanlarına göre bu tür kuantum malzemeleri gelecekte kuantum bilgisayarlar, kuantum interneti, güvenli haberleşme sistemleri ve enerji teknolojilerinde önemli rol oynayabilir.

Araştırmacılar bir sonraki aşamada, geliştirdikleri plazmonik metakristalin güneş pillerine gelen ışığı daha verimli yönlendirip ısı kaybını azaltarak güneş panellerinin verimini artırıp artıramayacağını incelemeyi planlıyor.