Günümüzde, en etkili ve gelecek vaat eden kuantum bilgisayım işlemleri tuzaklanmış iyon teknolojisine dayanmaktadır. Bu teknoloji 1950 yılında Wolfgang Paul tarafından icat edilmiştir. W. Paul ve arkadaşları çok-kutuplu elektrik ve manyetik alanlarda elektrik veya manyetik
dipol momentine sahip nötr parçacık demetlerini odaklamak için araştırma yapmış ve molekül
spektroskopisi için kullanmışlardır [1,2]. Bu araştırmanın ürünü olarak hidrojen maser
gelişimi için kritik öneme sahip odaklayıcı altı-kutup (hekzapol) mıknatısı tanımlanmıştır.
Ayrıca çok kutuplu elektrik alanında bir iyon demetinin, z-ekseninde hareket eden iyonların
aynı zamanda enine (x ve y -ekseninde) odaklanmış olarak hareket edebileceği belirlenmiştir
[1]. Paul ve arkadaşları iyonları tuzaklamak için zamanla salınım hareketi yapan elektrik alan
kullanarak hareketli iyonların uzaysal bir nokta etrafında salınım hareketi yapacağını
bulmuşlardır. Böylece hangi kütlenin hangi iyona ait olduğunu belirleyen, manyetik kütle
ayrım metodundan farklı, Paul iyon kütle filtresi yöntemi ortaya çıkmıştır [1]. Bu konuda
yaptıkları çalışmalar neticesinde W. Paul ve H. Dehmelt 1989 Nobel Fizik ödülünü
kazanmışlardır [2].Paul tuzağı kullanılarak iyonların spektrumu, taban durumu, aşırı ince yapısı, alt enerji
düzeylerine pompalama, optik frekans vb. konularda bilgiler elde edilir [3].
Tuzaklanmış tek iyon dinamiğini çalışmanın faydası iyon harici bir lazer ile soğutulduğu
zaman kuantum etkilerinin incelenmesine kolaylık sağlamasıdır. Ayrıca bu yöntem kuantum
bilgisayarların temelini oluşturmaktadır [3]. Klasik mekaniksel olarak iyonların kaos ve
düzenli hareketleri de tuzaklanmış iyonlar ile çalışılabilmektedir [4].
Gelelim kuantum bilgisayım işinin tuzaklanmış iyonlar ile bağlantısına, iyonlar bilindiği üzere elektrik yüküne sahip atomlardır. Örnek olarak kalsiyum iyonu (Ca 2+) ve Strontium iyonları (Sr2+) verilebilir, çünkü kuantum sistemi açısından bu iki iyon mükemmel bir biçimde kontrol edilebilir. Gelelim bu iyonlar üzerinde bilgi depolamaya, Strontium atomunun başlangıç olarak kararlı bir yapıda olduğunu varsayalım. Ardından kararlı yapısını değiştirmek ve 1 yapabilmek için bir darbe enerjisi uygulayalım. Darbe enerjisi Ep basitçe bir darbenin toplam optik enerji içeriğidir, yani optik gücünün zaman içindeki integralidir. Darbe süresi ile birlikte darbe enerjisi, darbelerin tepe gücünü tahmin etmek için sıklıkla kullanılır. Tersine, optik gücün zamansal entegrasyonu darbe enerjisiyle sonuçlanır. Daha sonra tekrar okuma yapabilmek için, kararlı yapısını hiçbir şekilde etkilemeyecek bir lazer kullanırız. Ancak yapısı 1 olan yani darbe enerjisini emmiş olan iyonumuz, emdiği enerjiyi foton olarak yaymaya başlayacaktır. Bu durumda, herhangi bir fiziksel dokunuş olmadan, elektrik alanı yardımı ile iyonlarımızın yüklenmesini ve lazer yardımı ile foton üretebilmesini sağlayabiliriz. Bu sistemin altın bir yüzeyli küçük bir çipin üstüne yerleşmesine kısaca iyon tuzağı adını veriyoruz. Bu çip bir çeşit elektrik ve soğutma sistemi ile çevrelendiği, ve çevrelenen bu sistemin kapalı bir vakum odası ile desteklendiği, dahası kapalı vakum odasının dışını lazer sistemleri, alan bobinler, ve en önemlisi fotonları bir optik fiberde yakalamak için fotonik bağlantı sistemi ile birleştiği zaman, küçük bir kuantum işlemciyi oluşturur. Böylece, iki kuantum işlemciyi birbirine bağlayarak fotonları birbirleri ile kuantum dolaşıklığına sokabileceğimiz kuantum makinasını oluşturabiliriz. Ayrıca, bu fikir genişletilerek bütün bir modül dizisine sahip olabiliriz. Böylece, bağlantılarını değiştirebileceğimiz, hem komşusuna bağlanabilen hem uzakta ki komşusuna bağlanabilen fotonlar ile bir çeşit kuantum beyni oluşturabiliriz. Bu sistemin pozitif yönleri için, çok kararlı bir sistemin olduğunu, ve yüksek başarı oranları yakaladığını söyleyebilirim. Ayrıca bu sistem, 32 kadar fotonu birbiri ile dolanıklağa sokabilmesi ile belirli bir konumda olduğunu bizlere ispatlıyor. Kağıt üstünde şu an en büyük veri olarak öne çıkıyor (IonQ 32-kubit iyon tuzaklayıcı kuantum sistemini tanıttı). Bu arada IonQ, IBM’in Qiskit kuantum geliştirme aracını destekliyor. Bu konuya farklı bir yazıda değinebilirim. Negatif yönleri için ise lazer sayısının çok yüksek olması ve operasyonel kabiliyetinin yavaşlığı öne çıkıyor. Günümüzde, bu sisteme dayalı kuantum bilgisayarlarını üretmek için çalışan firmaları aşşağıda sıralayacağım;
- Quantinuum.
- IonQ (Trapped Ion Computing Company).
- Alpine Quantum Technologies.
- Oxford Ionics (Trapped Ion Company).
- EleQtron.
Yazımı burada bitirirken, bu değerli firmalara bu çalışmaları için gönülden desteklerimi sunuyorum:).
KAYNAKÇA
[1] Major F.G., Gheorghe V.N., Werth G., 2005. Charged particle traps: Physics and techniques of charged
particle field confinement. Springer, p. 240.
[2] Wolfgang P., 1990. Electromagnetic traps for charged and neutral particles. Review of Modern Physics,
62(3): 531-540.
[3] Nägerl, H.C., Roos, Ch., Rohde, H., Leibfried, D., Eschner, J., Schmidt-Kaler,F., Blatt, R., 2000. Addressing
and cooling of single ions in Paul traps. Fortschritte der Physik, 48 (5-7): 623-636.
[4]Blümel, R., Kappler, C., Quint, W., Walther, H., 1989. Chaos and order of laser-cooled ions in a Paul trap.
Physical Review A, 40(2): 808-823.