Kuantum Bilgisayarlar İçin Nanosoğutucu Geliştirildi!

Kuantum bilgisayarlar bile düzgün çalışabilmek için soğutulmaya ihtiyaç duyar. Bu nedenle araştırmacılar, kuantum bilgisayarları işlevlerini yerine getirebilecek soğuklukta tutabilmek amacıyla küçük, nano boyutta bir soğutucu geliştirdiler.

Günlük yaşamda kullandığımız klasik bilgisayarlarda ısınmayı önlemek için sabit bir fan ya da başka önlemler gerekir. Kuantum bilgisayarlar da bu konuda farklı değiller. Klasik bilgisayarlarda sıfır ve birlerden oluşan bitlerle bilgi akışının sağlanması yerine, kuantum bilgisayarların çalışma prensibi aynı anda iki durumda da olabilen kübitlere (kuantum bitlere) dayanır. Aynı anda iki halde olabilmeye kuantum mekaniğinde süperpozisyon (üstdüşüm) adı verilir. En küçük bir etki süperpozisyon durumunu bozabileceği ve bu da hesaplamalarda hataya neden olacağı için kübitler dış gürültüye karşı yalıtılmış olmalıdır. İyi yalıtılmış kübitler kolayca ısınabileceğinden dolayı onları soğuk tutmak zorlu bir görevdir.

Klasik bilgisayarların aksine kuantum bilgisayarlar bir algoritmayı çalıştırmak için düşük sıcaklıktaki taban durumlarından işe başlamalıdır. Kübitler hesaplamalar boyunca ısınır. Bu yüzden birden fazla kuantum algoritmayı birbiri ardına çalıştıracağımız durumlarda soğutma mekanizmasının da hızlı olması lazımdır. Yani kısacası söz konusu işlemde standart bir fan yeterli olmayacaktır.

Finlandiya’nın Aalto Üniversitesi’nden Mikko Möttönen ve çalışma arkadaşları bir kuantum devresi için ilk defa bağımsız bir soğutma cihazı yaptılar. Bu cihazın ilerleyen süreçte bilgisayarlar da dahil birçok kuantum elektronik cihaza entegre edilebileceği düşünülüyor.

Ekip iki kanalı ayıran enerji aralığı ile bir devre oluşturdu: elektronların sıfır dirençle zıplayabildiği süperiletken özellikte hızlı bir şerit ve süperiletken olmayan bir şerit. Yeterli enerjiye sahip elektronlar süperiletken kısma atlayabilirken diğerleri yavaş şeritte kalıyor.

Bazı zayıf elektronlar yeterli enerjiye sahip olamadıkları için atlamayı başaramadığında güç kazanmak için yakındaki bir yankılayıcıdan (rezonatör) bir foton alabilir. Sonuç olarak yankılayıcı yavaş yavaş soğuyacaktır.

Bu durum zaman içerisinde elektronlar üzerinde seçici bir soğutma etkisi sağlar. Sıcak elektronlar atlayarak aralığı geçerken soğuk olanlar geride kalır. Bu proses, buzdolabının çalışmasına benzer şekilde ısıyı sistemden uzaklaştırır.

Soğuk Cin

Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü’nden Spiros Michalakis konuyu daha iyi açıklamak için iki kutu arasında gaz atomlarının akışını kontrol eden hayali bir varlığı konu alan ünlü düşünce deneyi Maxwell’in Cini ile bir benzeşim kuruyor. Bu düşünce deneyinde cin iki kutuyu ayıran açıklıktan bir tarafa sadece sıcaklığı ve enerjisi yüksek atomların geçişine izin verirken diğer tarafa da sadece sıcaklığı ve enerjisi düşük atomların geçişine izin veriyor. Bu da varsayımsal olarak iki kutu arasında keskin bir sıcaklık farkına neden oluyor.

Tabii ki kuantum bilgisayarın içerisinde bir cin yok. Ama buradaki işleyiş düşünce deneyindeki ile benzer bir şekilde gelişiyor.

"Maxwell’in Cini hikayesindeki gibi bir kapı açtığınızı düşünün, bu kapıdan sadece belli bir eşiğin üzerinde enerjiye sahip elektronlar geçebiliyor.” diyen Michakalis sistemin çalışma mekanizmasına da bir anlamda açıklık getirmiş oluyor.

Ürünün 10 ila 15 yıl içerisinde kuantum bilgisayarlara entegre edilebileceğini ve piyasada yer bulacağını düşünen Michalakis biraz zaman alsa da başarıya ulaşacaklarından emin.

Çeviri: Mümin Can

Referans
1. NewScientist, "Nanofridge could keep quantum computers cool enough to calculate", <https://www.newscientist.com/article/2130210-nanofridge-could-keep-quantum-computers-cool-enough-to-calculate/>
Kapak Görseli: Kuan Yen Tan