Kuantum İletişimi için Elmas Teknolojisi
Fotoğraf : Princeton liderliğindeki bir araştırma ekibi, gelecekte ‘’kuantum internette’’ kullanılmak üzere, kuantum bilgisini saklayabilen ve aktarabilen kusurlar içeren elmaslar yarattı. Bu kusurlar, kuantum bilgisini, elektronlar formunda oldukça uzun süre boyunca alabilir, saklayabilir ve bu bilgiyi verimli bir şekilde fotonlarla ilişkilendirebilir. (Princeton Üniversitesi’ndeki doktora sonrası öğretim üyesi Paul Stevenson’un izni ile)
Elmaslar, saflıkları dolayısı ile değerlidirler, ancak sahip oldukları kusurlar, yüksek düzeyde güvenli haberleşmenin yeni bir türünün anahtarı olabilir.
Princeton Üniversitesi araştırmacıları, kuantum durumu olarak bilinen atom altı parçacıkların özelliklerine dayanan bir iletişim ağı oluşturmaya yardımcı olması için elmaslardan yararlanıyorlar. Araştırmacılar, bu tür kuantum bilgi ağlarının son derece güvenli olacağına ve ayrıca mevcut çözülemeyen problemleri çözebilmek için yeni kuantum bilgisayarlara, birlikte çalışma imkanı tanıyacağına inanıyorlar. Fakat, bu ağları tasarlayan bilim adamları, hassas kuantum bilgisini uzun mesafeler boyunca nasıl koruyacağı da dahil olmak üzere pek çok zorluk ile karşılaşmaktadır.
Şimdilerde, araştırmacılar, sentetik elmaslar kullanarak muhtemel bir çözüme ulaştılar.
Science dergisinde bu hafta yayımlanan makalede, araştırmacılar, kübit olarak bilinen kuantum bilgi bitini (kuantum bilgi birimi) iki karbon atomunu bir silisyum atomu ile yer değiştirdikleri elması kullanarak nasıl depoladıklarını ve aktardıklarını anlattılar.
Standart iletişim ağlarında, tekrarlayıcı adı verilen cihazlar, sinyallerin daha uzak mesafelere ulaştırabilmesi için, onları kısa bir süre saklar ve yeniden aktarırlar. Princeton Üniversitesi elektrik mühendisliği öğretim üyesi ve araştırmanın lideri Nathalie de Leon, elmasların, kübit temelli ağlar için kuantum tekrarlayıcı olarak kullanılabileceğini söyledi.
Leon, kuantum tekrarlayıcı fikrinin uzun zamandır var olduğunu ancak ‘’ kimsenin bunu nasıl inşa edeceğini bilmediğini’’ söyledi. ‘’ Kuantum tekrarlayıcının ana bileşeni olarak hareket edebilecek bir şeyler bulmaya çalışıyoruz.’’ diyerek ekledi.
Kuantum tekrarlayıcıları oluştururken karşılaşılan temel zorluk, hem kübitleri depolayabilen hem de onları aktarabilen bir materyal bulmaktı. Şimdiye kadar, kübitleri iletmenin en iyi yolu, bu kübitleri foton adı verilen ışık parçacıklarında kodlamak olmuştur. Hali hazırda ağlarda kullanılan optik fiberler zaten bilgiyi fotonlar aracılığı ile iletiyor. Ancak, optik fiber içerisindeki kübitler, özel kuantum özellikleri kaybolmadan ve bilgi karıştırılmadan sadece kısa mesafelere iletilebiliyor. Işık hızında hareket eden bir fotonu yakalayıp depolamak zordur.
Bunun yerine araştırmacılar, depolama sağlaması amacı ile kristaller gibi katıları araştırdılar. Elmas gibi bir kristalde, kübitler teorik olarak fotonlardan daha kolay depolama sağlayan elektronlara transfer edilebilir. Böyle bir aktarımın gerçekleşeceği en temel yer, elmasın içindeki kusurlar olabilirdi, bu yerler, karbon dışındaki elementlerin elmasın karbon kafesi içinde tutulduğu yerler olabilir. Kuyumcular yüzyıllardır, elmaslardaki safsızlığın (kirlilik), farklı renklerin oluşmasına neden olduğunu bilirler. Leon’un ekibine göre, safsızlık olarak adlandırılan bu renk merkezleri, ışığı manipüle etmek ve kuantum tekrarlayıcılar tasarlamak için bir fırsat sunmaktadır.
Daha önceki araştırmacılar, ilk kez, karbon atomlarının birinin yerini azot atomunun aldığı nitrojen boşlukları adı verilen kusurları kullanmayı denediler. Ancak, bu kusurların bilgiyi depolayabilmesine rağmen, doğru optik özelliklere sahip olmadığını buldular. Bundan sonra, diğer araştırmacılar, karbon atomunun silisyum atomu ile yer değiştirdiği silisyum boşluklarına bakmaya karar verdiler. Fakat, bu silisyum boşlukları, bilgiyi fotonlara iletebilirken, birbirine bağlanma süresi yetersizdir.
De Leon,’’ Bu iki renk merkezinin sınırlamalarına neyin sebep olduğuna dair ne biliyoruz?’’ diye sorduk. ‘’ Sıfırdan bütün bu problemleri çözebilecek bir şeyler tasarlayabilir miyiz? ‘’
Princeton liderliğindeki ekip ve çalışmanın ortakları kusurun elektrik yükü ile deneme yapmaya karar verdiler. Teorik olarak silisyum boşlukları nötr olmalıdır, ancak, diğer safsızlıklar kusurun elektrik yüküne katkıda bulunabilir. Araştırma ekibi, yük durumu ile kübitleri depolamak için uygun doğrultuda elektron spinlerini tutma kabiliyeti arasında bir ilişki olabileceğini düşündüler.
Araştırmacılar, elektriksel olarak nötr silisyum boşlukları oluşturmak için endüstriyel elmas imalat firması Element Six ile ortaklık kurdular. Element Six, kristali oluşturmak için karbon atomları katmanlarını bırakarak başladı. Bu proses süresince araştırmacılar, nötr yükü bozabilecek diğer safsızlıkları dışarıda bırakma etkisi olan bor atomları eklediler.
De Leon, ‘’Yük ekleyebilen ya da yükleri uzaklaştıran şeyler arasında yük dengelemesi hassasiyetini kurmak zorundayız.‘’ diyerek açıklamada bulundu. ‘’Elmasların içindeki arka plan kusurlarından yük dağılımını kontrol ediyoruz ve bu durum, ilgilendiğimiz kusurların yük durumunu kontrol etmemiz için bize imkan sağlıyor.’’
Daha sonra araştırmacılar, silisyum iyonlarını elmasın içine aşıladılar ve ardından elmasları, yük verebilecek diğer safsızlıklardan arındırmak için yüksek sıcaklıklara kadar ısıttılar. Birkaç malzeme mühendisliği tekrarlamaları ve ayrıca Amerika Gemolojik Enstitüsü’nden bilim adamları ile ortak yürütülen analizler sayesinde araştırma ekibi, elmasların içinde nötr silisyum boşlukları elde etmeyi başardılar.
Nötr silisyum boşluğu, kuantum bilgisini, birbirlerinden ayrılmış olsalar bile parçacık çiftlerinin birbirleri ile nasıl ilişki halinde olduğunu tanımlayan ve dolaşıklık olarak adlandırılan gerekli kuantum özelliklerini oluşturmada temel bileşenlerden biri olan fotonları kullanarak iletmekte hem de bu bilgiyi, bu bileşenlerden diğeri olan elektronları kullanarak depolamakta başarılıdır. Dolaşıklık, kuantum bilgisinin güvenliğinin temelidir: alıcılar, bir dinleyicinin, mesajlardan birini bozup bozmadığını anlayabilmek için birbirine dolanmış çiftlerin ölçümlerini karşılaştırabilirler.
Araştırmanın bir sonraki adımı, fotonları bu ağdan renk merkezinin içine ve dışına getirebilmek için nötr silisyum boşluğu ve fotonlu devreler arasında bir arayüz oluşturmaktır.
Kaliforniya Üniversitesi’nde (Santa Barbara) fizik profesörü Ania Bleszynski Jayich, araştırmacıların, hem foton hem de elektronların kuantum özellikleri ile çalışmaya elverişli karakteristiklere sahip elmas boşluğu bulmanın uzun zamandır süregelen zorluğunu başarılı bir şekilde karşıladığını belirtti.
Araştırmaya dahil olmayan Jayich, ‘’ Araştırma yazarlarının, gelecek vaat eden katı hal kusur temelli kuantum tasarısını belirlemek için kullandığı malzeme mühendisliği yaklaşımının başarısı, katı kusurlarının çok yönlülüğünün (çeşitli kullanım alanları olduğunu) altını çiziyor ve daha büyük bir malzeme kesiti ve farklı kusur çeşitleri için daha kapsamlı ve ayrıntılı bir araştırmaya ilham kaynağı olacaktır. ‘’ diyerek ekledi.
Leon’un laboratuvar üyelerinden doktora sonrası öğretim üyesi Brendon Rose ve lisans öğrencileri Ding Huang ve Zi-Huai Zhang, Princeton araştırma ekibi bünyesinde yer almaktaydı. Ayrıca de Leon ekibinde, doktora sonrası öğretim üyesi Paul Stevensen ve şu an IBM’de görevli eski doktora sonrası araştırmacı Srikanth Srinivasan da bulunmaktaydı. Araştırma ekibine ek katkılar, araştırmacı Alexei Tyryshkin ve Elektrik Mühendisliği Prosfesörü Stephen Lyon’dan gelmekteydi. Bununla birlikte araştırma ekibi ayrıca, Amerika Gemolojik Enstitüsü’nden Lorne Loudin ve Element Six’den Matthew Markham, Andrew Edmonds ve Daniel Twitchen ile iş birliği içerisindeydi.
Bu çalışma EFRI ACQUIRE programı (hibe no: 1640959) kapsamında Ulusal Bilim Vakfı ve Malzeme Araştırma Bilimi ve Mühendislik Merkezi (DMR-1420451) olan Kompleks Malzemeler için Princeton Merkezi tarafından desteklenmiştir. Bu materyal, FA9550-17-0758. D.H. ödül numarası ile Hava Kuvvetleri Araştırma Ofisi tarafından desteklenen çalışmaya dayanmaktadır ve Singapur Bilim Teknoloji ve Araştırma Ajansı (A*STAR) Ulusal Bilim Bursu ile desteklenmiştir.
Kaynak : sciencedaily.com
