Fosfor ve silikondan oluşan 15.000 kübitlik bir dizi, elektriği neredeyse kusursuz ileten kuantum materyalleri simüle etmek için şimdiye kadarki en büyük platformu ortaya koyuyor. Bu ölçekte geliştirilen bir kuantum simülatörü, egzotik ve potansiyel olarak son derece yararlı gereçlerin nasıl çalıştığını anlamamıza yardımcı olabilir ve gelecekte bu gereçleri optimize etmenin yolunu açabilir.
Kuantum bilgisayarlar, klasik bilgisayarların çözmekte zorlandığı hesaplamaları kuantum olgularından yararlanarak gerçekleştirmeyi hedefliyor. Misal halde, kuantum fenomenlerini kullanan bir simülatör de araştırmacıların şimdi tam olarak kavranamayan gereçleri ya da molekülleri çok daha hakikat formda modellemesini sağlayabilir.
Bu durum bilhassa süperiletkenler üzere, elektriği neredeyse kayıpsız ileten gereçler için geçerli. Zira bu özelliklerini direkt kuantum tesirlerinden alıyorlar. Bu tesirler kuantum simülatörlerde direkt uygulanabilirken, klâsik bilgisayarlarda çok daha karmaşık matematiksel dönüşümler gerektiriyor.
Atom atom inşa edilen bir simülasyon
Avustralya’daki Silicon Quantum Computing şirketinden Michelle Simmons ve takımı, kuantum gereçler için şimdiye kadar geliştirilen en büyük kuantum simülatörünü oluşturdu. Quantum Twins ismi verilen bu platform hakkında konuşan Simmons, ulaşılan ölçek ve denetim düzeyinin yeni bir devrin kapısını açtığını söylüyor. Takıma nazaran artık daha evvel hiç düşünülmemiş sistemlerle yeni gereçler tasarlanabiliyor ve bunun yolu, bu gereçlerin atomik benzerilerini sözün tam manasıyla atom atom inşa etmekten geçiyor.
Araştırmacılar bu simülatörleri, silikon çiplerin içine fosfor atomları yerleştirerek üretti. Her bir atom, kuantum bit olarak isimlendirilen bir kübite dönüştürüldü. Kübitler, kuantum bilgisayarların ve simülatörlerin temel yapı taşları olarak biliniyor. Grup, bu kübitleri gerçek gereçlerdeki atom dizilimlerini taklit edecek biçimde farklı ızgara nizamlarında hassas biçimde yerleştirebildi.
Quantum Twins’in her bir versiyonu, 15.000 kübitten oluşan kare bir ızgaraya sahipti. Bu sayı, şimdiye kadar geliştirilen tüm kuantum simülatörlerin ötesinde bir ölçeğe işaret ediyor. Daha evvel emsal kübit dizileri, birkaç bin adet olmak üzere çok derecede soğutulmuş atomlarla elde edilmişti.
Elektron davranışlarını birebir taklit etmek
Desenleme süreci ve her çipe eklenen elektronik bileşenler sayesinde grup, çip içindeki elektronların özelliklerini de denetim edebildi. Bu denetim, simüle edilen materyallerde elektronların nasıl davrandığını anlamak açısından kritik kıymete sahip. Örneğin, ızgaranın rastgele bir noktasına bir elektron eklemenin ne kadar sıkıntı olacağını ya da bir elektronun iki nokta ortasında sıçrama ihtimalinin ne kadar yüksek olacağını ayarlamak mümkün oldu.
Simmons, klasik bilgisayarların bilhassa büyük iki boyutlu sistemleri ve kimi elektron özelliklerinin birleşimini simüle etmekte zorlandığını, Quantum Twins simülatörlerinin ise bu alanlarda umut vadettiğini belirtiyor. Grup, çipleri test ederken, bir materyaldeki düzensizliklerin elektrik akımını nasıl etkilediğini açıklayan ünlü bir matematiksel model üzerinden iletken ve yalıtkan davranışlar ortasındaki geçişi simüle etti.
Ayrıca sistemin Hall katsayısı da sıcaklığa bağlı olarak ölçüldü. Bu kıymet, simüle edilen gerecin manyetik alanlara maruz kaldığında nasıl davrandığını anlamak açısından kıymetli bir gösterge olarak kabul ediliyor.
Deneylerde kullanılan aygıtların boyutu ve değişkenler üzerindeki hassas denetim, sıradaki maksadın alışılmışın dışında süperiletkenler olabileceğini gösteriyor. Klasik süperiletkenlerin elektron düzeyindeki çalışma prensipleri büyük ölçüde biliniyor. Fakat bu gereçlerin süperiletken olabilmesi için ya çok soğutulmaları ya da çok yüksek basınç altında tutulmaları gerekiyor. Bu da pratik kullanımın önünde büyük bir mahzur oluşturuyor.
Bazı süperiletkenler daha ölçülü şartlarda çalışabiliyor. Ama bunları oda sıcaklığı ve basıncında fonksiyon görecek halde tasarlayabilmek için çok daha detaylı, mikroskobik bir anlayışa gereksinim var. İşte kuantum simülatörlerin gelecekte sunabileceği asıl katkı da burada yatıyor.
Quantum Twins platformunun potansiyeli bununla da hudutlu değil. Simmons’a nazaran bu simülatör, farklı metaller ortasındaki ara yüzleri ya da poliasetilene benzeyen moleküllerle metal etkileşimlerini incelemek için de kullanılabilir. Bu tıp çalışmalar, ilaç geliştirme süreçlerinde ya da yapay fotosentez sistemlerinin dizaynında değerli rol oynayabilir.
