Tek bir kuantum parçacığında ultra hassas bir saat, işlemci ve fiziksel süreç simülatörünü bir araya getirmek mümkün mü? Boulder'daki JILA laboratuvarından fizikçiler, Innsbruck Üniversitesi'ndeki meslektaşlarıyla birlikte bunun mümkün olduğunu kanıtladılar. Araştırmacılar, lazer komutuyla fonksiyonel rollerini değiştirebilen itterbiyum-171 atomlarını temel alan bir kuantum "çok amaçlı aleti" geliştirdiler.
Kuantum teknolojileri şimdiye kadar birbirine paralel yollarda ilerledi. Bazı bilim insanları hesaplama işlemleri için kübitler üretirken, diğerleri karmaşık sistemleri modellemeye, bir başka grup ise optik saatler geliştirmeye odaklandı. Ancak temel sorun, bu farklı görevlerin her birinin farklı fiziksel özellikler gerektirmesiydi.
Adam Kaufman liderliğindeki ekip bu soruna zarif bir çözüm buldu. Araştırmacılar, itterbiyumun ortak bir "çapa" durumuna sahip üç çift enerji seviyesini kullandılar. Belirli frekanslardaki lazer darbelerini atoma yönlendiren araştırmacılar, kuantum süperpozisyonunu veri kaybı yaşamadan bir moddan diğerine anında aktarmayı başardılar.
Artık aynı atom üç farklı rolde görev yapabiliyor:
- Nükleer kübit: Dış parazitlere karşı neredeyse duyarsız olan ve bilgiyi güvenle saklayan çekirdek spinini kullanır.
- Rydberg kübiti: Elektronun yüksek derecede uyarılmasıyla oluşur ve atomların hesaplamalar için birbirleriyle hızla etkileşime girmesini sağlar.
- Optik kübit: Hassas ölçümler için gerekli olan ve atom saatlerinde kullanılan enerji seviyelerini devreye sokar.
Bilim insanları deneyler sırasında tam bir çalışma döngüsü sergilediler. 20'ye kadar atomu dolanık hale getiren ekip, iki kübitli işlemleri %99,78 hassasiyetle gerçekleştirdi. Geçiş süreci sırasında bir hata oluştuğunda sistem, optik kontrol yardımıyla bunu tespit ederek başarısız denemeleri eledi.
Gelecekte bu tür bir çok yönlülük, kuantum hesaplama ile hassas metroloji arasındaki sınırların kalkmasını sağlayabilir. Mühendisler artık sistem kararlılığı ile çalışma hızı arasında bir seçim yapmak zorunda kalmayacak. Üç modun tek bir platformda birleştirilmesi, hantal donanım değişikliklerine gerek duymadan gerçek dünya problemlerini çözebilen pratik kuantum bilgisayarların geliştirilmesini önemli ölçüde hızlandırabilir.
