Polimerlerin Kuantum Bilgisayarlar Üzerindeki Etkisi

Bu yazı, polimerlerin gelişen farklı yapılarını açıklamak ve bu yapıların kuantum sistemleri için nasıl kullanıldığını betimlemek amacıyla yazılmıştır. Polimer malzemeler genel yapıları itibariyle yalıtkan ve kimyasal reaktivitesi oldukça düşük malzemeler olarak sınıflandırılmaktaydı. Ancak, ileri kimya ve malzeme bilimi üzerine yapılan değişikliklerle günümüzde polimerler, her alanda yüksek teknolojik çözümler sunabiliyor. Bu çözümleri, bir malzeme bilimcisi perspektifinden farklı kategorilerde inceleyeceğiz. Bu kategoriler, kübit yapıları, topolojik kuantum sistemleri, enerji transferleri ve iletken polimerler, elektromanyetik gürültü engelleme için geliştirilen polimerler olarak ayrılacaktır. Sizlere detaylı bilgiler vermeden önce, polimer malzemeler hakkında genel bilgiler vereceğim ki konuyu daha da iyi aktarabileyim.

Polimer Malzemeler

Polimer malzemeler elektriksel olarak birbirine bağlanıp bir ağ oluşturan atomların ve bu atom zincirlerinin bir yapısal bütünlük oluşturması ile elde edilir. Bu elektriksel kuvvetin büyüklüğü, oluşan ağın uzunluğu ve elektriksel karakteristiği polimerin, mekanik, elektriksel ve kimyasal karakterini oluşturur. Bu karakteristik özellikleri en derininde kuantum mekanik özelliklere ve elektriksel kuvvetlere bağlıdır. Zincir üzerinde oluşan elektriksel özellikler polimerin manyetik özelliklerine direkt etki edebilir, uyarılma ve elektron olarak kirletme durumlarında farklı tepkiler verebilir. Bu durumların tayinini yapabilmek ve etkilerini incelemek için, zincirin dinamiğine, elektriksel yapısına, ve bu atomik zincirde bulunan atomlara yakından bakmak gerekir. Şimdi senaryoları vereceğim ve yakından inceleyeceğiz.

Kübit Yapıları ve Polimerler

Kübitler yapısal olarak 2 farklı bitin süper pozisyon halinde bulunduğu temel işlem birimidir. Bu bitlerin oluşturulması ve süper pozisyona sokulması için genel olarak iletken polimerler kullanılır. İletken polimerler, elektron akışının kontrol edildiği ve yönünün tayininin yapılabildiği oldukça kullanışlı polimer yapılarıdır. Bu yapılar, ilk olarak 1974 yılında bir poliasetilen üzerinde keşif edilmiştir. Poliasetilen yapısı tekli çiftli bağların olduğu bir zincir yapısıdır. Bu zincir üzerinde bulunan tekli bağlar zincirin dinamiğini sağlarken, ikili bağlar elektrik olarak iletimi sağlayabilir. Bu durumda uyarılma durumu ile beraber zincir üzerinde bir akış oluşturulabilir. Bu akış, metallerin aksine bir iyon denizi oluşturmadığından sıcaklığın artmamasına ve daha stabil bir geçişi tetiklemektedir. Böylece, oluşan bu akışı kararlı bir biçimde oluşturup çift foton kaynağı haline getirerek, dolanık fotonları yüksek saflıkta oluşturabilirsiniz. Tabi bundan önce birkaç işlem yapmanız gerekir, poliasetilen yapısını sentezledikten sonra kirletmeniz(doping) gerekir. Bu kirletme p tipi ve n tipi olarak tercihe uygun bir biçimde valans bant tarafından iletim bandına geçirilecek şekilde yapılacaktır. Ardından, zincirleri farklı doğrultuda istifleyerek, uyarılmaları eş zamanlı bir biçimde lazer yardımı ile yada manyetizma yardımı ile vermeniz gerekir. Böylece eş zamanlı farklı doğrultuda bulunan aynı entropili fotonlarınızı dolanık bir biçimde üretebilirsiniz. Bu durumda oluşan bu mekanizma sayesinde saflığı yüksek, bant aralığı sabit dolanık fotonlar elde edebilir ve sıcaklığı olabildiğince kontrol altında tutabilirsiniz. Bu üretim için alternatif polimer grupları da vardır. Örneğin polianilin ve polipropilen de kullanılan temel örneklerdir. Aşağıda iletken polimerler ve iletkenlikleri sıralanan bir tablo da bırakıyorum.

DOI: 
10.1016/S0014-3057(97)00204-8

Zincir Yapısı ve Kuantum Algoritmaları

Polimer sistemler, zincire bağlı yapıları ve kuantum kapılarına uyum sağlama noktasında fotonik sistemlere harika özellikler kazandırmaktadır. Özellikle fenil grupların zincirler eklenmesi ile daha sağlam bir yapının yanı sıra iletkenliği artmış bir sistem de elde edilmiş olur. Ayrıca polimerlerin yapısına eklenen donor ve akseptör yapıları elektriksel iletkenlik ile beraber fonksiyonel çalışma kararlılığı sağlayabilir. Foton ve manyetik alanının etkileşimini arttıracak şekilde dizayn edilecek zincirler, kuantum kapılarla olan ilişkileri daha da arttırabilir. Dolanıklık sağlayabilecek polimer grupların iletken polimerlere eklenmesi ile beraber daha verimli ve belirli kuantum durumları arasında geçiş yapabilen kuantum sistemleri oluşturulabilir. Ayrıca sistemler, termal anlamda daha kararlı çalışabilir. Bu polimerlerin optik özellikleri ile beraber harika sensörler ve uyarıcılar da oluşturulabilir. Tabi bu sistemler fotonik sistemlere bağlı kuantum bilgisayarlar için farklı potansiyel yapılardır.

https://doi.org/10.1002/adma.202311541

Topolojik Kuantum Bilgisayarları

Topolojik kuantum bilgisayarları dolonık fotonların daha uzun süreli ve bozulmalara dayanıklı bir biçimde üretilmesini amaçlayan farklı sistemlerdir. Bu sistemlerde ana amaç majorana fermiyonlarını kullanmaktır, bu fermiyonlar Dirac Fermiyonlarından farklı olarak yarı tam spinli parçacık olarak öne çıkar ve yüksek potansiyel barındırır. Bu parçacıklar, topolojik izolatörlerde, süper iletkenlerde ve nano parçacıklar üzerinde oluşma eğilimi gösterir. Bu durumda polimerlerin ileriye dönük oluşturduğu büyük potansiyelin bu sistemler için kullanılması çok önemlidir. Bu sistemler için en önemli noktalardan bir tanesi çevresel gürültüye dayanıklı ürün oluşturmaktır. Bu durumda en büyük potansiyeli karbon nanotüpler oluşturmaktadır, iletken yapılarının yanında katmanlı yapısı ile beraber çevresel gürültüyü sönümleyerek absorbe etme yeteneğine sahiptir. Ayrıca, iletken polimerlere eklenecek eklentiler ile beraber hem sönümlenme hem iletim kesintisiz hale getirilebilir. Bu durumların teorik olarak tasarlanması ve deneysel ortamda denenmesi ise başka bir zorluk olarak önümüze çıkacaktır. Hibrit yapılar ile desteklenen polimerler ile beraber, majorna fermiyonları yapı içerisinde oluşturularak kullanılabilir. Ayrıca polimerik kompozitlerle beraber düşük sıcaklıklarda majorna fermiyonların oluşması da desteklenebilir. Yüksek potansiyeli açısından üzerine düşünülen bir alan olarak öne çıkıyor. Bu alan ile ilgili güzel bir çalışma bırakıyorum: https://arxiv.org/abs/1705.04103.

Enerji Transferleri ve Elektromanyetik Gürültü Engelleme

Kuantum bilgisayarları için belki de en hayati konuların başında gelen enerji transferleri ve elektromanyetik gürültü engelleme durumları için polimer tabanlı malzeme kullanımı her geçen gün biraz daha yaygınlaşıyor. Örneğin PEDOT tipi polimerler yüksek stabiliteye sahip olması ile beraber iletken özelliklere de sahiptir. İnce film halinde işlenen PEDOT yapıları ile enerji transferleri uygun stabilite değerlerinde taşınabilir. Bu kısımda üstüne durmak istediğim temel özellik ise elektromanyetik gürültü engelleme durumunun polimer yardımı ile nasıl yapıldığıdır. Bu konuda manyetizmayı kavramak ve atomik zincirlerin üzerine manyetik yüklerin ne gibi etkiler oluşturduğunu anlamak gerekir. Bu dalgaların polimer tabanlı yapılar üzerinde hapsedilmesi, yansıtılması ve belirli manyetik alana sığdırılması farklı yöntemler ile gerçekleşir. Örneğin polimerik metal malzemeler içlerinde bulunan metaller, Al veya Zn gibi gelen dalgaları ile beraber elektriksel iletim sağlayabilirler, ayrıca oluşan bu iletim ısıl enerjiye de dönüştürülebilir. Polimerik malzeme üzerinde oluşan manyetik alan da yüksek enerjili dalgalar için kalkan görevi görebilir. Ayrıca metalik malzemelerde serbest elektronların dış elektromanyetik alanlar ile etkileşimi de dalga enerjisini dönüştürür. Düşük frekanslı dalga emme mekanizmalarında ise Fe3O4 kullanılır. Bu nano parçacıklar polimerin içine eklenerek, polimerin içine ferromanyetik bir etkileşim eklenmesine olanak sağlar. Böylece gelen dalgaların etkileşimini ısı enerjisine dönüştürebilir. Bu mekanizma daha ayrıntılı olarak, ferromanyetik malzemeler manyetik alan duyarlılığına sahip olup, dışarıdan uygulanan manyetik alanlar ile manyetikleşir ve bu özelliğini sürdürebilir. Bu manyetik alanlar dış alanla hizalanarak parçacıkların manyetik özelliklerini güçlendirir, böylece manyetik kalkan olabilme özelliği sağlar.

DOI
https://doi.org/10.1039/D1NJ04626H

Polimerler ve Gelecekteki Potansiyel Etkileri

Polimer malzemeler ve onların harika potansiyelleri başta kuantum bilgisayarları olmak üzere yüksek teknolojik ürünlerde kullanılacaktır. Burada ki en güzel nokta ise, kuantum bilgisayarlarda kullanılan polimer tabanlı sistemler ile polimer üzerinde yüksek hassasiyet güdülerek yapılacak olan ölçümlerin, yine aynı sistemi daha kararlı hale getirebilmek için kullanılması olacaktır. Cümle biraz karmaşık gelebilir, kısacası polimer üzerinde ki her ilerleme doğrudan kuantum bilgisayarların gelişimini etkileyecektir. Böylece polimer zincirlerinin farklı yapılarda ayarlanmasının, eklenti olarak farklı malzemelerin kullanılmasının, ve bunların etkilerinin daha yakından incelenmesini dolaylı yoldan mümkün kılacaktır. Fakat burada, yukarıda yaptığımız gibi kategorize edilerek çoklu disiplinler arası çalışılması gerekmektedir. Benim tahminlerime gelecek olursak, termal stabilizasyonu ile beraber konjuge polimerler fotonik sistemler için inanılmaz bir potansiyel oluşturmaktadır. Bu sistemlerin içine eklenecek fenil grupları ile beraber fotonların saflıkları, iletim hızları, ve ömürleri arttırılarak farklı zincirlerde oluşturulan fotonların dolaşık hale getirilmesi direkt zincir içinde oluşturulabilecektir. Böylece sistem üzerinde oluşabilecek gürültüler ve fotonun saflığını düşürecek parametreler engellenecektir. Ayrıca sistemler kendi içerisinde elektromanyetik kalkan oluşturacak şekilde dizayn edilebilecektir. Burada verdiğim teorik öngörüler, deneysel olarak oldukça zor olacaktır. Zincirin sentezlenmesi, ve onun dinamiğinin ayarlanması gerçekten çok zor olacaktır. Fakat, bu zorlukların aşılması ile beraber hata oranları, gürültüler düşürülerek sistemin kalitesi artacaktır. Böylece topolojik kuantum sistemlerine alternatif olabilecek fotonik sistemler geliştirilebilir. Ayrıca topolojik sistemler de polimerlerin gelişimi le beraber gelişecektir. Burada ki en önemli gelişim karbon nano tüplerinin çoklu duvarlar halinde, Josephson Eklemi’ne benzer bir yapı şeklinde sıralı bir biçimde sentezlenmesi ve fotonların eş zamanlı olarak içlerinden akması ile mümkün olabilir. Fermi enerjileri bilinen sistemler için oluşturulacak topolojik süperiletkenlik majorana fermiyonu oluşumunu teorikte oluşturabilir. Ancak yukarıda bahsettiğim gibi, deneysel olarak bu kadar ince çalışabilmek ve kararlı yapılar oluşturmak büyük bir zorluk oluşturacaktır. Bilim insanları ise bu zorluklardan farklı noktalara gitmek ve neden sorularını sormak için eğitilmektedir. O zaman soruyorum neden olmasın?

2 Yorum

  1. Wayne Bodelson

    Loving the information on this web site, you have done great job on the posts.

    • Hello Wayne,

      Polymers have huge potential in every field of science. I hope we can understand their behavior at the atomic level more accurately, as this will enable us to reach more advanced technologies. Thank you for your feedback.

      Thanks,
      Baran

Yorum yapın

E-posta adresiniz yayınlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.