Kübit Türleri

Bir önceki yazımızda kuantum bilgisayarlardan bahsetmiştik. Bu yazımızda ise kuantum bilgisayarlarda bilginin kodlandığı ve işlendiği temel birimler olan kübitlere değineceğiz.

Bugüne kadar kübitlerle ilgili çok sayıda çalışma yapıldı. Günümüzde de kübit işlevi görebilecek sistemlerle ilgili yeni fikirler ortaya atılıyor, araştırmalar yapılıyor.

Kuantum mekaniği ilkelerine uyan, iki seviyeli herhangi bir sistemin kübit olarak kullanılması mümkündür. Örneğin elektronların spinleri, iki seviyeli sistemlerin bir örneğidir. Bir elektronun belirli bir yöndeki spinini belirlemek için bir ölçüm yapıldığını düşünelim. Sonuç olarak spinin ya ölçüm yapılan yönle aynı yönde olduğu ya da ters yönde olduğu bulunur. Bu iki ihtimal klasik bilgisayarlardaki bitlerin alabileceği iki değere (0 ve 1) karşılık gelir. Ancak bir elektronun belirli bir andaki spini sadece bu iki yönde değil başka herhangi bir yönde de olabilir. Dolayısıyla bir elektronun spini sadece 0 ve 1 durumlarını kodlamak için değil bu durumların herhangi bir lineer kombinasyonunu kodlamak için de kullanılabilir. Benzer biçimde atom çekirdeklerinin spin durumları da kübit olarak kullanılabilir.

Bir kübitin durumunun temsili gösterimi. Kübit 0 veya 1 durumunda olabileceği gibi bu durumların herhangi bir lineer kombinasyonunda da olabilir.

Kuantum mekaniği ilkelerine uyan parçacıkların “varlığı ya da yokluğu” da “iki seviyeli sistem” olarak düşünülebilir ve kübit olarak kullanılabilir. Örneğin fotonların varlığı ya da yokluğu veya elektronların varlığı ya da yokluğu da 0 ve 1 durumlarını kodlamak için kullanılabilir.

Bilginin elektronların spinlerinde kodlandığı kuantum bilgisayarlara örnek olarak 1997 yılında Daniel Loss ve David P. DiVincenzo tarafından öne sürülen kuantum bilgisayarlar verilebilir. Bu bilgisayarlarda kübit işlevi görecek elektronlar “kuantum noktalar” olarak adlandırılan, tüm boyutları nanometre (metrenin milyarda biri) ölçeğinde olan parçacıkların içine hapsedilir. Kübitleri bir araya getirerek kuantum bilgisayar üretmek içinse elektriksel kuvvetlerden yararlanılır.

Loss-DiVincenzo kuantum bilgisayarların sadece iki kübit içeren bir modeli. İçine elektronlar hapsolmuş kuantum noktaları bir araya getirmek için elektriksel kuvvetlerden yararlanılıyor.  

Çok seviyeli sistemlerin de kübit olarak kullanılması mümkündür. Örneğin bir iyonun temel enerji seviyesi 0 durumunu, uyarılmış enerji seviyelerinden biri de 1 durumunu kodlamak için kullanılabilir. Ancak kübit üzerinde yapılan işlemlerde sadece 1 durumunu kodlamak için kullanılan uyarılmış seviye yer almalı, diğer uyarılmış seviyelere geçişlerin engellenebilmesi ya da hata düzeltme algoritmaları kullanılarak sonuçları etkilememesinin sağlanması gerekir. Enerji seviyeleri kullanılan parçacıkların atomlar değil de iyonlar olmasının sebebiyse elektrik yüklü parçacıkları kontrol etmenin nötr parçacıklara göre çok daha kolay olmasıdır. Bu kübitleri bir araya getirmek için iyon kapanları kullanıldığından bilginin iyonların enerji seviyelerinde kodlandığı kuantum bilgisayarlara “iyon kapanı kuantum bilgisayarlar” deniyor.

Kuantum bilgisayarlar için geliştirilmiş bir iyon kapanı

Bir kuantum bilgisayarın yararlı olabilmesi için sağlaması gereken çeşitli kriterler vardır:

. İyi tanımlanmış kübitlere sahip olması,

. Arzu edilen durumdaki (örneğin |0> ya da |1> durumundaki) bir kübitin büyük bir doğrulukla hazırlanabilmesi,

. Kübitlerde kodlanmış bilginin görece uzun bir süre boyunca kaybolmamasının sağlanabilmesi,

. Kübitler üzerinde büyük bir doğrulukla işlem yapılabilmesi,

. Belirli işlemleri klasik bilgisayarlardan daha hızlı yapabilecek kadar çok kübite sahip olması.

Bugüne kadar geliştirilmiş kuantum bilgisayarların hiçbiri bu kriterlerin tamamını sağlamıyor. Bu durumun en önemli sebebi, üretimlerinde kullanılan farklı türdeki kübitlerin -en azından şu an için- buna izin vermemesi. Bu yüzden bazı araştırmacılar tüm kriterlerin sağlanmasına imkân verebilecek hibrit kübitler geliştirmeye başladı.

Yakın zamanlarda Nature Communications’ta yayımlanan bir makalede bir grup araştırmacı iki ayrı türde kübit içeren hibrit kübit geliştirdiklerini açıkladı. Farklı türdeki kübitlerin biri, hem büyük bir doğrulukla kontrol edilebiliyor hem de kodlanan bilgiyi uzun süre kaybolmadan saklayabiliyor. Ancak bu türdeki kübitlere bilginin “yazılması” ve “okunması” çok yavaş gerçekleşiyor. Diğer türdeki kübitse büyük doğrulukla kontrol edilemiyor ve kodlanmış bilgiyi uzun süre kaybolmadan saklayamıyor. Ancak bilginin hızlı bir biçimde yazılmasına ve okunmasına imkân veriyor. Araştırmacılar da iki ayrı türdeki kübitin iyi taraflarını bir araya getirmeyi başarmışlar. Yeni geliştirilen kübitte, bilgi işlenirken büyük bir doğrulukla kontrol edilebilen ve bilgiyi uzun süre saklayabilen kübit kullanılıyor. Bilginin okunması ve yazılması içinse bu işlemleri hızlı bir biçimde yapabilen diğer kübitten yararlanılıyor.

Kübitler günümüzün aktif araştırma alanlarından biri. Gelecekte de yeni türde kübitlerin geliştirileceğini söylemek yanlış olmaz.

Kaynaklar:

• Noiri, A. ve ark., “A fast quantum interface between different spin qubit encodings” Nature Communications, Cilt 9, Makale No:5066, 2018.
• DiVincenzo, D. P., “The Physical Implementation of Quantum Computation”, https://arxiv.org/abs/quant-ph/0002077, 2000.