Yarıiletken Kuantum Transistörü Foton Temelli Hesaplamanın Kapılarını Açıyor
(Fotoğraf) Bilim adamları ışığı oluşturan fotonlar da dahil olmak üzere kuantum bitler gibi çeşitli kuantum parçacıklarını kullanabilmektedirler.
Transistörler, milyonlarcası bir araya geldiğinde bir akıllı telefonun sinyallerini yönlendirmesi gibi modern bilgisayarların yapıtaşını oluşturan küçük anahtarlardır.
Kuantum bilgisayarları, kuantum bilgilerini işleyecek analog donanımlara ihtiyaç duyacaktır. Fakat bu yeni teknolojinin tasarım sınırlamaları oldukça zorlayıcıdır ve buna ek olarak günümüzün en gelişmiş işlemcileri kuantum cihazları yerine kullanılamamaktadır. Çünkü kubit olarak adlandırılan kuantum bilgi taşıyıcıları, kuantum fiziğiyle hazırlanan farklı kuralları izlemek zorundadır.
Bilim adamları kubitler gibi birçok çeşitli kuantum parçacığını, hatta ışığı oluşturan fotonları dahi kullanabilmektedirler. Fotonlar, üretilmiş çiplerle uyumlu oldukları ve uzun mesafelerde bilgiyi hızlı iletebildiklerinden dolayı ilgi görmektedirler. Fakat normalde kendiliğin gerçekleşmeyen, fotonların birbirleriyle etkileşime girmesi gerektiğinden dolayı ışıkla tetiklenmiş bir kuantum transistörünün yapılması çok zorlayıcı olmaktadır.
Şimdilerde, Maryland Üniversitesi’nin A. James Clark Mühendislik Okulu ve Ortak Kuantum Enstitüsü’nden, Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği profesörü, Ortak Kuantum Enstitüsü üyesi, Elektronik ve Uygulamalı Fizik Araştırma Enstitüsü üyesi Edo Waks liderliğindeki araştırmacılar sorunları ortadan kaldırarak yarıiletken çip kullanan ilk tek fotonlu transistörü tanımlamışlardır. Science dergisinin 6 Temmuz sayısında tanıtılan cihaz, tahmini olarak bir milyon tanesinin tek bir tuz tanesi içerisine sığabileceği üzere kompakt bir yapıdadır. Ayrıca cihaz, hızlı ve saniye başına 10 milyon fotonik kubiti işleyebilmektedir.
Waks’a göre kendi transistörlerinin kullanılmasıyla fotonlar arasında kuantum geçitleri oluşturabilmelilerdir. Kuantum bilgisayarında çalışan yazılım, bazı sayısal problemler için üssel hıza ulaşan bir işlemler dizisi kullanacaktır.
Fotonik çip, daha çok bal peteği gibi görünmesini sağlayan içerisinde birçok boşluk bulunduran yarıiletken bir malzemeden yapılmıştır. Çip içerisine giren ışık etrafında yansır ve boşluk malzemesi tarafından tutulur. Kuantum nokta olarak adlandırılan küçük kristal ışık yoğunluğunun en güçlü olduğu alan içerisine yerleşir. Geleneksel bilgisayar hafızasını andıran nokta, fotonlar cihaza girerken onlar hakkında bilgi toplamaktadır. Nokta, foton etkileşimlerini sağlamak için hafızayla etkili bir şekilde bağlantı kurabilir. Bu çipe ulaşana kadar bir fotonun eylemlerinin diğerlerini etkilediği anlamına gelmektedir.
Araştırma sırasında UMD de lisanüstü öğrencisi olan, yeni çalışmanın baş yazarı ve Stanford Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırmacı olan Shuo Sun tek fotonlu bir transistörde kuantum nokta hafızasının, her bir fotonik kubit ile etkileşime girecek kadar uzun sürmesi gerektiğini belirtmiştir. Bu, tek bir fotonun daha büyük bir foton akışını değiştirmesine olanak sağlamaktadır, bu da aygıtın bir transistör olarak görülmesi için gereklidir.
Çipin bir transistör gibi çalıştığını test etmek için araştırmacılar, cihazın genellikle tek bir foton içeren zayıf ışık darbelerine nasıl tepki verdiğini incelemişlerdir. Loş ışık gibi normal bir ortamda kayıt zor olabilir. Ancak bu cihaz içerisinde tek foton uzun bir süre boyunca tutulabilir ve varlığı yakınındaki noktada kaydedilir.
Ekip, tek fotonun nokta ile etkileşmesiyle, cihaz üzerinden ikinci bir ışık darbesinin iletimini kontrol edebileceğini gözlemlemiştir. İlk ışık darbesi, bir anahtar gibi davranır ve ikinci fotonun çipe girmesi için kapıyı açmaktadır. Eğer ilk ışık darbesi herhangi bir foton içermiyorsa, nokta daha sonradan gelen fotonların geçmesini engellemektedir. Bu davranış, küçük bir voltajın terminalleri üzerinden akım geçişini kontrol ettiği geleneksel bir transistöre benzemektedir. Burada araştırmacılar, voltajı tek bir foton ile başarılı bir şekilde değiştirildiğini ve kuantum transistörünün kuantum noktasının belleği bitmeden önce yaklaşık 30 foton içeren bir ışık sinyalini değiştirebileceğini göstermişlerdir.
Waks, ekibinin, transistörün çalışmaya başlamadan önce cihazın performansının farklı yönlerini test etmek zorunda olduklarını söylemiştir. Şimdiye kadar, tek bir foton transistörü yapmak için gerekli olan bireysel bileşenlere sahip olduklarını, fakat burada tüm adımları tek bir çipte birleştirdiklerini belirtmiştir.
Sun’a göre gerçekçi mühendislik gelişimleriyle kendi yaklaşımlarının birçok kuantum ışık transistörünün birbirine bağlanmasına izin verebileceğini söylemektedir. Ekip, bu kadar hızlı, oldukça bağlantılı cihazların, çok sayıda fotonik kubitin işlendiği kompakt kuantum bilgisayarlara yol açacağını ummaktadır.
Kaynak : sciencedaily.com
