Kuantum bilgisayarlar, klasik bilgisayarların çözmekte zorlandığı karmaşık moleküler etkileşimleri modelleyerek ilaç keşfini ve malzeme geliştirmeyi hızlandırmak gibi acil sorunları bir gün çözebilir.
Ancak, gerçek dünya uygulamaları için yeterince büyük ve dayanıklı bir süper iletken kuantum bilgisayarı inşa etmek için bilim insanlarının, en düşük hata oranıyla işlem yapacak şekilde binlerce kuantum devresini hassas bir şekilde tasarlamaları gerekiyor.
Bilim insanlarının daha öngörülebilir devreler tasarlamalarına yardımcı olmak için, MIT ve Lincoln Laboratuvarı'ndan araştırmacılar, süper iletken bir kuantum devresinin beklenen davranışından sapmasına neden olabilecek bir özelliği ölçmek için bir teknik geliştirdiler. Analizleri, bu bozulmaların kaynağını, ikinci dereceden harmonik düzeltmeler olarak bilinen, düşük performanslı devre mimarilerine yol açan bir durum olarak ortaya koydu.
MIT araştırmacıları, ikinci dereceden harmonik düzeltmeleri tespit etmek, kökenlerini belirlemek ve güçlerini hassas bir şekilde ölçmek için bir cihaz ürettiler. Bu teknik, bilim insanlarının bu sapmaların etkilerini dengeleyebilecek kuantum devreleri tasarlamalarına yardımcı olabilir.
Bu, ikinci dereceden harmonik düzeltmelerin olumsuz etkilerinin artırılabileceği daha büyük ve daha karmaşık kuantum devrelerinde özellikle önemlidir.
“Kuantum bilgisayarlarımızı büyüttükçe ve bu cihazların parametreleri üzerinde daha hassas kontrol sağlamak istedikçe, bu etkileri tanımlamak ve ölçmek, bu sistemlerin nasıl inşa edildiğini anlamamız için önemli olacak. Devreye dalmaya devam etmek her zaman önemlidir; beklemediğiniz bir etki olup olmadığını görmek, cihazınızın performansını etkiler,” diyor Mühendislik Kuantum Sistemleri (EQuS) grubunun Araştırma Elektronik Laboratuvarı (RLE) araştırmacısı ve bu araştırmanın makalesinin ortak yazarı Max Hays.
Hays'a, makalede ortak yazar olarak EQuS grubunda elektrik mühendisliği ve bilgisayar bilimi (EECS) yüksek lisans öğrencisi Junghyun Kim; EQuS grubunun lideri, Kuantum Mühendislik Merkezi'nin direktörü ve RLE'nin yardımcı direktörü olan EECS'nin Henry Ellis Warren (1894) Profesörü William D. Oliver; ve MIT ile Lincoln Laboratuvarı'ndan diğer araştırmacılar katılıyor. Araştırma bugün Nature Physics'te yayımlandı.
Bir çiftli sorun
Süper iletken devreler kullanan bir kuantum bilgisayarında, birçok potansiyel hesaplama platformundan biri olan Josephson bağlantıları, bilgilerin aktarımını ve manipülasyonunu sağlayan kritik unsurlardır. Bu cihazlar, çok yakın bir mesafeye getirilen iki süper iletken tel kullanır ve aralarında nanometre ölçeğinde bir bariyer bulunur. Geleneksel bir devrede olduğu gibi, Josephson bağlantılarındaki elektrik yükü elektronlar tarafından taşınır.
Ancak bir süper iletken devrede, yük taşıyan elektronlar çiftler oluşturur ve bunlara Cooper çiftleri denir. Bu Cooper çiftleri, iki tel arasındaki bariyerden “kuantum tüneli” yaparak, akımı bir telden diğerine taşır.
Cooper çiftleri genellikle aynı anda yalnızca bir çift tünel yapabilir; bu, kuantum hesaplamayı mümkün kılan temel bir özelliktir.
“Eğer daha fazla Cooper çiftini zorlamaya çalışırsanız, bu işe yaramaz. Bu doğrusal olmayan etki, tüm devrelerimiz için son derece önemlidir. Bu etki olmasaydı, bu devrelerde depoladığımız kuantum bilgilerini kontrol edemez veya manipüle edemezdik,” diye açıklıyor Hays.
Ancak bazen, Cooper çiftleri beklenmedik bir şekilde bariyeri aynı anda iki olarak geçebilir; bu etkiye ikinci dereceden harmonik düzeltme denir. Bu etki, yalnızca tek çift tünelleme izni verilen bir kuantum devresinin performansını sınırlar.
“Eğer iki Cooper çifti aynı anda tünel yaparsa, o zaman devremizi inşa etmek için kullandığımız varsayım artık geçerli olmaz. Devreyi bu durumu idare edebilecek şekilde düzeltmemiz gerekiyor,” diyor Kim.
Ancak devreyi düzeltebilmeleri için, bilim insanlarının bu bozulmaların kaynağını ve gücünü bilmesi gerekiyor.
Bu bilgiyi elde etmek için, MIT araştırmacıları bu etkiler karşısında çok hassas olacak şekilde bir kuantum devresi ürettiler. Temelde, cihaz, tek Cooper çiftlerinin kuantum tünelleme sürecini baskılamak için tasarlanmışken, iki
