Bu kuantum bilgisayarın içinde bellek bir gitar teli gibi titreşiyor

Bir müzik aleti tarafından üretilen seslerin aksine, bu titreşimler insan işitme sınırının çok ötesindeki frekanslarda gerçekleşir. Bunlar, yeni bir bilgisayar belleği biçimi olarak hizmet verdikleri küçük bir kuantum çipi içinde gerçekleşir.

Araştırmacılar, bu titreşimlerden yararlanarak, kuantum bilgisayarların esnek bir çalışma belleğine erişirken bilgileri verimli bir şekilde işlemesi için bir yol oluşturdular. Yiwen Chu, "Kuantum işlemcisi ile kuantum belleği arasındaki etkileşim, kuantum bilgisayarlarını geleneksel bilgisayarlarla mümkün olmayan hesaplamaları gerçekleştirmek için güçlü ve güvenilir bir yol olarak kurmak amacıyla çok önemli bir temel sağlıyor," diyor.

Science dergisinde açıklanan bu atılım, kuantum bilgisayar tasarımına farklı bir yaklaşım getiriyor. Birçok mevcut sistemin yaptığı gibi bilgi işleme ve depolamayı yakından entegre etmek yerine, Chu'nun ekibi bu işlevlere daha belirgin roller veren bir mimari geliştirdi.

Geleneksel Bilgisayarlardan Esinlenen Kuantum Bellek

Araştırmacılar, günlük dijital bilgisayarların temel tasarımından ilham aldılar. Geleneksel bir makinede, merkezi işlem birimi (CPU) hesaplamaları yaparken, bilgiler yaygın olarak rastgele erişimli bellek (RAM) olarak adlandırılan çalışma belleğinde ayrı olarak tutulur. Bu bileşenlerin düzeni, bir bilgisayarın ne kadar verimli çalıştığını belirlemede önemli bir rol oynar.

Chu'nun kuantum sistemi benzer bir prensibi izliyor. Bir süper iletken kubit, merkezi işlem birimine (CPU) benzer bir rol üstlenerek işleme ve kontrol birimi olarak görev yapıyor. Bu sırada, ayrı bir kuantum belleği, hesaplamalar sırasında ihtiyaç duyulan bilgileri geçici olarak tutarak işlemcinin bunları gerektiğinde almasına ve değiştirmesine olanak tanıyor.

Temel fark, bu bilginin nasıl depolandığında yatıyor.

Chu, "Ancak bizim kuantum çalışma belleğimizde bilgi, bugün genellikle olduğu gibi elektromanyetik olarak değil, mekanik titreşimler şeklinde depolanıyor," diye açıklıyor.

Kuantum bilgisayarlar, kuantum sistemlerinin farklı durumların kombinasyonlarında var olmasına izin veren süperpozisyon ve kuantum durumları arasında güçlü bağlantılar oluşturan dolanıklık dahil olmak üzere kuantum fiziğinin sıra dışı özelliklerinden yararlanır. Bu etkiler, nihayetinde kuantum makinelerinin, şu anda pratik yeteneklerinin ötesinde olan bazı problemler de dahil olmak üzere, belirli aşırı karmaşık hesaplamaları geleneksel bilgisayarlardan çok daha hızlı bir şekilde çözmesini sağlayabilir.

Neden Titreşen Kuantum Bellek Daha İyi Olabilir?

Kuantum bilişimindeki en büyük zorluklardan biri, kuantum bilgisi üzerinde hassas kontrol sağlamaktır. Hesaplamalar için kullanılan durumlar hassastır ve küçük bozulmalar bile bilginin kaybolmasına neden olabilir. Hesaplamaları güvenilir bir şekilde gerçekleştirmek için işlemci ve bellek, kuantum durumlarını yüksek hassasiyetle aktaracak ve manipüle edecek kadar yakın etkileşim kurmalıdır.

Yeni sistemde, mekanik rezonatörler adı verilen mikroskobik yapılar, bilgiyi belirli titreşim desenlerinde tutuyor. Süper iletken kubit bu bilgiye ihtiyaç duyduğunda, depolanan titreşim durumuna erişiyor, gerekli işlemi gerçekleştiriyor ve değiştirilen bilgiyi belleğe geri gönderiyor.

Mevcut birçok kuantum bilgisayarı bunun yerine süper iletken kubitlerin yanında elektromanyetik bellek kullanıyor. Araştırmacılar bu teknolojileri iyi anlıyorlar ve bunlar, depolanan bilgilerin okunması, değiştirilmesi ve manipüle edilmesi dahil olmak üzere kuantum durumları üzerinde son derece doğru kontrol sağlamak için birleştirilebiliyorlar.

Ancak, elektromanyetik bellek sistemlerinin önemli bir dezavantajı vardır. Önemli miktarda yer kaplayabilirler, bu da deneysel kuantum cihazlarını araştırmacıların ve endüstrilerin nihayetinde ihtiyaç duyduğu daha büyük, daha yetenekli bilgisayarlara genişletmeyi zorlaştırır.

Mekanik rezonatörler birkaç potansiyel avantaj sunar. Önemli ölçüde daha küçüktürler ve daha kompakt tasarımlara olanak tanırlar. Ayrıca çok sayıda farklı titreşim desenini destekleyebilirler ve geleneksel elektromanyetik belleğe göre aynı anda daha fazla bilgi depolama fırsatı sunarlar.

Bir diğer önemli fayda ise mekanik titreşimlerin, depolanan bilgi solmaya başlamadan önce kuantum durumlarını daha uzun süre koruyabilmesidir. Daha uzun depolama süreleri, bilginin birden fazla işlem adımı boyunca kullanılabilir kalmasını gerektiren karmaşık hesaplamaların gerçekleştirilmesini kolaylaştırabilir.

Yeni Kuantum Bilgisayarı Büyük Testleri Geçti

Science'da yayınlanan araştırma, mekanik rezonatörlerin kuantum hesaplamaları gerçekleştirmek için süper iletken kubitlerle birlikte çalışabileceğine dair ilk deneysel gösterimi sağlıyor. Sonuçlar, titreşim tabanlı belleğin elektromanyetik depolamaya uygun bir alternatif olduğunu kanıtlıyor.

Bu başarı, sadece bilgiyi depolamanın ötesine geçiyor. Chu'nun ekibi, mimarilerinin hem nispeten basit hesaplamaları hem de daha zorlu kuantum operasyonlarını gerçekleştirebileceğini kanıtladı.

Sistemi değerlendirmek için araştırmacılar iki önemli hesaplama tekniğini test ettiler: kuantum Fourier dönüşümü ve periyot bulma. Her ikisi de kuantum bilişiminde temel araçlardır ve bir bilgisayarın birden fazla kuantum durumunu önemli bir hassasiyetle koordine etmesini gerektirir.

Chu'nun ekibinde doktora öğrencisi ve yayının ortak yazarı olan Igor Kladaric, "Kuantum Fourier Dönüşümü, birçok kuantum algoritması için gereken temel bir hesaplama prosedürüdür. Uyguladığımız periyot bulma algoritması, bu prosedürün nasıl kullanılabileceğinin bir göstergesi olarak hizmet etti," diye açıklıyor.

Bu görevlerin başarıyla tamamlanması, sistemin aynı anda birden fazla kuantum durumu arasında uyumlu ilişkiler depolamasını, kontrol etmesini ve sürdürmesini gerektirir. Deneyler, yeni mimarinin bu gereksinimleri karşılayabildiğini gösterdi ve sadece bir bellek cihazı olarak işlev görmekten ziyade gerçek kuantum hesaplamayı destekleyebileceğine dair güçlü kanıtlar sağladı.

Güçlü Kuantum Bilgisayarlarına Doğru Umut Verici Bir Adım

En önemli bulgulardan biri, yeni sistemin prensipte keyfi kuantum hesaplamaları için gereken tüm temel işlemleri gerçekleştirebilmesidir. Bu, mimarinin programlanabilir, genel amaçlı bir kuantum bilgisayar için gereken temel yeteneklere sahip olduğu anlamına gelir.

Ancak bu yetenekleri deneysel bir çipte kanıtlamak sadece başlangıçtır. Bir sonraki büyük zorluk, laboratuvarda kanıtlanan hassasiyet ve güvenilirliği korurken teknolojiyi daha büyük işlem gücüne sahip daha geniş sistemlere ölçeklendirmektir.

Chu ve meslektaşları, yaklaşımlarının nasıl daha fazla geliştirilebileceğini araştırmaya devam ediyorlar. Uzun vadeli başarısı, daha fazla bileşen ve giderek karmaşıklaşan hesaplamalar eklendikçe mekanik kuantum belleğinin etkili kalıp kalamayacağına bağlı olacaktır.

Yaygın bilimsel ve endüstriyel uygulamalar için yeterince güçlü pratik kuantum bilgisayarları hala biraz uzakta. Yine de, küçük mekanik titreşimlerin kompakt ve yetenekli bir kuantum belleği olarak hizmet edebileceğini göstererek, ETH Zurich ekibi bu makineleri gerçeğe dönüştürme yolunda umut verici yeni bir rota kanıtladı.