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 tıp moleküler kübit yarattı.

Yeni kuşak bu kübit, optik ve manyetik özellikleri sayesinde dikkat çekiyor. Yapısında, kuantum bilgilerini sıradan fiber optik ağlarla tıpkı dalga uzunluklarında iletmesini sağlayan erbiyum ismi verilen az bir toprak elementi bulunuyor.

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

Veri bağlantısının yeni kahramanı: Erbiyum

Science mecmuasında yayımlanan bulgular, bu teknolojiyi ultra inançlı bağlantı temaslarından, ekseriyetle kuantum interneti olarak isimlendirilen uzun aralı kuantum bilgisayar ağlarına kadar uzanan “ölçeklenebilir kuantum teknolojileri için umut vadeden yeni bir yapı taşı” olarak niteliyor.

Kuantum interneti için gerekli altyapıyı oluşturmak ismine uzun vakittir ağır araştırmalar yapıldığı bir gerçek. Örneğin, daha evvel geliştirilen bir çip, kuantum sinyallerini gerçek dünyadaki fiber optik kablolar üzerinden iletmeye yardımcı olmuştu. Bu yeni çalışmadaysa, araştırmacılar büsbütün bilgi transferine yardımcı olabilecek farklı bir kübit tipi geliştirmeye odaklandı.

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

Klasik bitlerden çok daha fazlası: Kübitler

Kübitler, kuantum bilgisinin en temel biçimi olarak vazife yapıyor ve klasik hesaplamadaki bitlerin kuantum karşılığı biçiminde tanımlanabilir. Fakat karşılaştırma büyük ölçüde burada sona eriyor.

Klasik bitler ya 1 ya da 0 iken, kübitler kuantum fiziğinin tuhaf kurallarına uyarak birebir anda birden fazla durumda bulunma yeteneğine sahip; bu özelliğe süperpozisyon deniyor. Bu sayede bir kübit çifti tıpkı 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, çoklukla az toprak metalleri etrafına inşa edilmiş ferdi moleküllerden oluşuyor ve elektron spinini kuantum durumunu tanımlamak için kullanıyor. Yeni erbiyum tabanlı kübiti eşsiz kılan şey, hem bir spin kübiti hem de bir fotonik kübit üzere davranabilmesi. Bu, manyetik olarak bilgiyi depolayabilirken, optik sinyaller kullanılarak okunabileceği manasına geliyor.

Araştırmacılar, erbiyum atomunun spininin denetimli bir süperpozisyon durumuna yerleştirilebildiğini deneyle gösterdiler. Bu, fonksiyonel bir kübit için en temel ihtiyaç. Grup, spin durumunun atomun yaydığı ışığın dalga uzunluğunu etkilemesi sayesinde, optik spektroskopi üzere standart teknikleri kullanarak kübitin kuantum durumlarını okuyabiliyor. Makalenin ortak başyazarı Leah Weiss, “Bu moleküller, manyetizma dünyası ile optik dünyası ortasında nanometre ölçeğinde bir köprü vazifesi görebilir” diyor ve ekliyor: “Bilgi, molekülün manyetik durumunda kodlanabilir ve akabinde fiber optik ağlarla uyumlu ışıkla erişilebilir.“

Uzun uzaklıklı bilgi transferinde kritik avantajlar

Telekomünikasyon dalga uzunluklarında çalışmanın iki temel avantajı var. Birincisi ve en kıymetlisi, sinyallerin en az kayıpla uzun uzaklıklar kat edebilmesi. Kuantum datalarının fiber ağlar üzerinden iletilmesi için bu durum hayati bir ehemmiyet taşıyor.

İkinci avantaj ise fiber optik dalga boylarındaki ışığın silikondan kolay kolay geçmesi. Şayet geçmeseydi, optik sinyalde kodlanan tüm datalar emilir ve kaybolurdu. Awschalom, “Tek bir fotonda kodlanmış bilgileri laboratuvarın ötesine emniyetli bir halde göndermek istiyorsanız bu kritik değere sahiptir” diyor.

Awschalom ayrıyeten ölçeğin bir öteki değerli 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 aygıtları ve hatta canlı hücrelerin içi de dahil olmak üzere, öbür teknolojilerin erişemeyeceği ortamlara kolay kolay entegre edilebilir.

Bu denetim seviyesi, kuantum bilişiminin en büyük mühendislik zorluklarından biri olan kuantum uyumluluğunu mevcut teknolojilere direkt entegre etmenin önündeki manileri aşmaya yardımcı olacak. Awschalom, “Entegrasyon, teknolojiyi ölçeklendirmede kıymetli bir adım ve bu alanda fevkalâde bir zorluktur” diyor ve ekliyor: “Bu kübitleri çip üstü aygıtlara entegre etmek için çalışıyoruz ve bunun molekülleri denetim etme, tespit etme ve birleştirmede yeni yollar açacağına inanıyoruz.“