Kuantum internete giden yolda kritik adım

Bilim dünyası, geleceğin en büyük teknoloji hayallerinden biri olan kuantum interneti için heyecan verici bir yapı taşı geliştirdi. Araştırmacılar, kuantum bilgisayarları mevcut telekomünikasyon ağları üzerinden birbirine bağlamaya yardımcı olabilecek yeni bir tür moleküler kübit yarattı.

Yeni nesil bu kübit, optik ve manyetik özellikleri sayesinde dikkat çekiyor. Yapısında, kuantum bilgilerini sıradan fiber optik ağlarla aynı dalga boylarında iletmesini sağlayan erbiyum adı verilen nadir bir toprak elementi bulunuyor.

Araştırmacılar, kübitin telekomünikasyon dalga boylarında çalışmasının, onu silikon çiplere çok daha kolay entegre edebileceği anlamına geldiğini belirtiyor. Bu da daha küçük, daha kompakt kuantum cihazlarının geliştirilmesinin yolunu açıyor.

Veri iletişiminin yeni kahramanı: Erbiyum

Science dergisinde yayımlanan bulgular, bu teknolojiyi ultra güvenli iletişim bağlantılarından, genellikle kuantum interneti olarak adlandırılan uzun mesafeli kuantum bilgisayar ağlarına kadar uzanan “ölçeklenebilir kuantum teknolojileri için umut vadeden yeni bir yapı taşı” olarak niteliyor.

Kuantum interneti için gerekli altyapıyı oluşturmak adına uzun zamandır yoğun araştırmalar yapıldığı bir gerçek. Örneğin, daha önce geliştirilen bir çip, kuantum sinyallerini gerçek dünyadaki fiber optik kablolar üzerinden iletmeye yardımcı olmuştu. Bu yeni çalışmadaysa, araştırmacılar tamamen veri aktarımına yardımcı olabilecek farklı bir kübit türü geliştirmeye odaklandı.

Çalışmanın baş araştırmacısı ve Chicago Üniversitesi’nde moleküler mühendislik ve fizik profesörü olan David Awschalom, “Bu erbiyum moleküler kübitlerin çok yönlülüğünü göstererek, günümüzün optik altyapısına doğrudan bağlanabilen ölçeklenebilir kuantum ağlarına doğru bir adım daha atıyoruz” diye konuştu.

Klasik bitlerden çok daha fazlası: Kübitler

Kübitler, kuantum bilgisinin en temel biçimi olarak görev yapıyor ve klasik hesaplamadaki bitlerin kuantum karşılığı şeklinde tanımlanabilir. Ancak karşılaştırma büyük ölçüde burada sona eriyor.

Klasik bitler ya 1 ya da 0 iken, kübitler kuantum fiziğinin tuhaf kurallarına uyarak aynı anda birden fazla durumda bulunma yeteneğine sahip; bu özelliğe süperpozisyon deniyor. Bu sayede bir kübit çifti aynı anda 0-0, 0-1, 1-0 ve 1-1 durumlarında bulunabiliyor.

Geleneksel olarak kübitler; süperiletken kübitler (elektrik devreleri), hapsolmuş iyon kübitleri (yüklü atomlar) ve fotonik kübitler (ışık parçacıkları) olmak üzere farklı biçimlerde karşımıza çıkıyor.

Moleküler kübitler ise, genellikle nadir toprak metalleri etrafına inşa edilmiş bireysel moleküllerden oluşuyor ve elektron spinini kuantum durumunu tanımlamak için kullanıyor. Yeni erbiyum tabanlı kübiti benzersiz kılan şey, hem bir spin kübiti hem de bir fotonik kübit gibi davranabilmesi. Bu, manyetik olarak bilgiyi depolayabilirken, optik sinyaller kullanılarak okunabileceği anlamına geliyor.

Araştırmacılar, erbiyum atomunun spininin kontrollü bir süperpozisyon durumuna yerleştirilebildiğini deneyle gösterdiler. Bu, işlevsel bir kübit için en temel gereksinim. Ekip, spin durumunun atomun yaydığı ışığın dalga boyunu etkilemesi sayesinde, optik spektroskopi gibi standart teknikleri kullanarak kübitin kuantum durumlarını okuyabiliyor. Makalenin ortak başyazarı Leah Weiss, “Bu moleküller, manyetizma dünyası ile optik dünyası arasında nanometre ölçeğinde bir köprü görevi görebilir” diyor ve ekliyor: “Bilgi, molekülün manyetik durumunda kodlanabilir ve ardından fiber optik ağlarla uyumlu ışıkla erişilebilir.“

Uzun mesafeli veri aktarımında kritik avantajlar

Telekomünikasyon dalga boylarında çalışmanın iki temel avantajı var. Birincisi ve en önemlisi, sinyallerin minimum kayıpla uzun mesafeler kat edebilmesi. Kuantum verilerinin fiber ağlar üzerinden iletilmesi için bu durum hayati bir önem taşıyor.

İkinci avantaj ise fiber optik dalga boylarındaki ışığın silikondan kolayca geçmesi. Eğer geçmeseydi, optik sinyalde kodlanan tüm veriler emilir ve kaybolurdu. Awschalom, “Tek bir fotonda kodlanmış bilgileri laboratuvarın ötesine güvenilir bir şekilde göndermek istiyorsanız bu kritik öneme sahiptir” diyor.

Awschalom ayrıca ölçeğin bir diğer önemli avantaj olduğunu da söylüyor. Her bir kübit, insan saçından yaklaşık 100.000 kat daha küçük tek bir molekülden oluşur. Yapıları sentetik kimya yoluyla ayarlanabildiği için moleküler kübitler, katı hal cihazları ve hatta canlı hücrelerin içi de dahil olmak üzere, diğer teknolojilerin erişemeyeceği ortamlara kolayca entegre edilebilir.

Bu kontrol düzeyi, kuantum bilişiminin en büyük mühendislik zorluklarından biri olan kuantum uyumluluğunu mevcut teknolojilere doğrudan entegre etmenin önündeki engelleri aşmaya yardımcı olacak. Awschalom, “Entegrasyon, teknolojiyi ölçeklendirmede önemli bir adım ve bu alanda olağanüstü bir zorluktur” diyor ve ekliyor: “Bu kübitleri çip üstü cihazlara entegre etmek için çalışıyoruz ve bunun molekülleri kontrol etme, tespit etme ve birleştirmede yeni yöntemler açacağına inanıyoruz.“