Skip to content Skip to navigation

Kübit Türleri

Dr. Mahir E. Ocak
30/04/2019 - 18:09

Bir önceki yazımızda kuantum bilgisayarlardan bahsetmiştik. Bu yazımızda ise kuatum bilgisayarlarda bilginin kodlandığı ve işlendiği temel birimler olan kübitlere değineceğiz.

Bugüne kadar kübitlerle ilgili çok sayıda çalışma yapıldı. Günümüzde de kübit işlevi görebilecek sistemlerle ilgili yeni fikirler ortaya atılıyor, araştırmalar yapılıyor.

Kuantum mekaniği ilkelerine uyan, iki seviyeli herhangi bir sistemin kübit olarak kullanılması mümkündür. Örneğin elektronların spinleri, iki seviyeli sistemlerin bir örneğidir. Bir elektronun belirli bir yöndeki spinini belirlemek için bir ölçüm yapıldığını düşünelim. Sonuç olarak spinin ya ölçüm yapılan yönle aynı yönde olduğu ya da ters yönde olduğu bulunur. Bu iki ihtimal klasik bilgisayarlardaki bitlerin alabileceği iki değere (0 ve 1) karşılık gelir. Ancak bir elektronun belirli bir andaki spini sadece bu iki yönde değil başka herhangi bir yönde de olabilir. Dolayısıyla bir elektronun spini sadece 0 ve 1 durumlarını kodlamak için değil bu durumların herhangi bir lineer kombinasyonunu kodlamak için de kullanılabilir. Benzer biçimde atom çekirdeklerinin spin durumları da kübit olarak kullanılabilir.

Bir kübitin durumunun temsili gösterimi. Kübit 0 veya 1 durumunda olabileceği gibi bu durumların herhangi bir lineer kombinasyonunda da olabilir.

Kuantum mekaniği ilkelerine uyan parçacıkların “varlığı ya da yokluğu” da “iki seviyeli sistem” olarak düşünülebilir ve kübit olarak kullanılabilir. Örneğin fotonların varlığı ya da yokluğu veya elektronların varlığı ya da yokluğu da 0 ve 1 durumlarını kodlamak için kullanılabilir.

Bilginin elektronların spinlerinde kodlandığı kuantum bilgisayarlara örnek olarak 1997 yılında Daniel Loss ve David P. DiVincenzo tarafından öne sürülen kuantum bilgisayarlar verilebilir. Bu bilgisayarlarda kübit işlevi görecek elektronlar “kuantum noktalar” olarak adlandırılan, tüm boyutları nanometre (metrenin milyarda biri) ölçeğinde olan parçacıkların içine hapsedilir. Kübitleri bir araya getirerek kuantum bilgisayar üretmek içinse elektriksel kuvvetlerden yararlanılır.

Loss-DiVincenzo kuantum bilgisayarların sadece iki kübit içeren bir modeli. İçine elektronlar hapsolmuş kuantum noktaları bir araya getirmek için elektriksel kuvvetlerden yararlanılıyor.  

Çok seviyeli sistemlerin de kübit olarak kullanılması mümkündür. Örneğin bir iyonun temel enerji seviyesi 0 durumunu, uyarılmış enerji seviyelerinden biri de 1 durumunu kodlamak için kullanılabilir. Ancak kübit üzerinde yapılan işlemlerde sadece 1 durumunu kodlamak için kullanılan uyarılmış seviye yer almalı, diğer uyarılmış seviyelere geçişlerin engellenebilmesi ya da hata düzeltme algoritmaları kullanılarak sonuçları etkilememesinin sağlanması gerekir. Enerji seviyeleri kullanılan parçacıkların atomlar değil de iyonlar olmasının sebebiyse elektrik yüklü parçacıkları kontrol etmenin nötr parçacıklara göre çok daha kolay olmasıdır. Bu kübitleri bir araya getirmek için iyon kapanları kullanıldığından bilginin iyonların enerji seviyelerinde kodlandığı kuantum bilgisayarlara “iyon kapanı kuantum bilgisayarlar” deniyor.

Kuantum bilgisayarlar için geliştirilmiş bir iyon kapanı

Bir kuantum bilgisayarın yararlı olabilmesi için sağlaması gereken çeşitli kriterler vardır:

. İyi tanımlanmış kübitlere sahip olması,

. Arzu edilen durumdaki (örneğin |0> ya da |1> durumundaki) bir kübitin büyük bir doğrulukla hazırlanabilmesi,

. Kübitlerde kodlanmış bilginin görece uzun bir süre boyunca kaybolmamasının sağlanabilmesi,

. Kübitler üzerinde büyük bir doğrulukla işlem yapılabilmesi,

. Belirli işlemleri klasik bilgisayarlardan daha hızlı yapabilecek kadar çok kübite sahip olması.

Bugüne kadar geliştirilmiş kuantum bilgisayarların hiçbiri bu kriterlerin tamamını sağlamıyor. Bu durumun en önemli sebebi, üretimlerinde kullanılan farklı türdeki kübitlerin -en azından şu an için- buna izin vermemesi. Bu yüzden bazı araştırmacılar tüm kriterlerin sağlanmasına imkân verebilecek hibrit kübitler geliştirmeye başladı.

Yakın zamanlarda Nature Communications’ta yayımlanan bir makalede bir grup araştırmacı iki ayrı türde kübit içeren hibrit kübit geliştirdiklerini açıkladı. Farklı türdeki kübitlerin biri, hem büyük bir doğrulukla kontrol edilebiliyor hem de kodlanan bilgiyi uzun süre kaybolmadan saklayabiliyor. Ancak bu türdeki kübitlere bilginin “yazılması” ve “okunması” çok yavaş gerçekleşiyor. Diğer türdeki kübitse büyük doğrulukla kontrol edilemiyor ve kodlanmış bilgiyi uzun süre kaybolmadan saklayamıyor. Ancak bilginin hızlı bir biçimde yazılmasına ve okunmasına imkân veriyor. Araştırmacılar da iki ayrı türdeki kübitin iyi taraflarını bir araya getirmeyi başarmışlar. Yeni geliştirilen kübitte, bilgi işlenirken büyük bir doğrulukla kontrol edilebilen ve bilgiyi uzun süre saklayabilen kübit kullanılıyor. Bilginin okunması ve yazılması içinse bu işlemleri hızlı bir biçimde yapabilen diğer kübitten yararlanılıyor.

Kübitler günümüzün aktif araştırma alanlarından biri. Gelecekte de yeni türde kübitlerin geliştirileceğini söylemek yanlış olmaz.

 

Kaynaklar:

İlgili İçerikler

Fizik

Su, elektrik enerjisi kullanılmadan bulunduğu yerden daha yükseğe nasıl taşınabilir? Arşimet bu sorunu milattan önce üçüncü yüzyılda icat ettiği Arşimet vidası ile çözmüştü. Deneyler köşesinin bu etkinliğinde, Arşimet vidası tasarlayarak suyu yukarı taşımak amacıyla kullanılabilecek bir pompa yapıyoruz.

Fizik

Bilim Genç olarak ODTÜ Saçılmalı Demet Hattı ve İVME-R’de yürütülen çalışmalarla ilgili ODTÜ Fizik Bölümü Öğretim Üyesi ve İVME-R Müdürü Prof. Dr. Bilge Demirköz ile bir söyleşi gerçekleştirdik.

Fizik

Bundan yüzyıllar önce Dünya’nın kendi etrafında dönüp dönmediği, ayrıca Dünya’nın mı Güneş’in etrafında yoksa Güneş’in mi Dünya’nın etrafında dolandığı bilim insanları arasındaki en hararetli tartışma konularından biriydi. 

Fizik

Rice Üniversitesinde Prof. Dr. James M. Tour önderliğinde çalışmalar yapan bir grup araştırmacı, karbon içeren atıklardan grafen üretmeye imkân veren bir yöntem geliştirdi. Araştırma ile ilgili makale Nature’da yayımlandı.

Fizik

Gençleri bilim insanlarıyla bir masa etrafında buluşturan TÜBİTAK Bilim Genç Kafe 11 Şubat Uluslararası Bilimde Kadınlar ve Kız Çocukları Günü’nde Ankara, İstanbul ve Samsun’da düzenleniyor. Etkinliğin Ankara’daki konuğu 2019 yılı TÜBİTAK Teşvik Ödülü’nü kazanan Dr. Öğr. Üyesi Emine Ülkü Sarıtaş.

Fizik

Tasarla ve Yap köşesinin bu etkinliğinde maliyeti uygun malzemeler ile cisimlerin nasıl elektriklendiğini gösteren bir düzenek tasarlıyoruz.

Fizik

Işık nasıl yayılır? Dalgalar gibi mi yoksa madde parçacıkları gibi mi? Bu soru bir zamanlar bilim dünyasını ikiye bölmüştü. Deneyler köşesinin yeni etkinliğinde ışığın yapısını çift yarık deneyi ile inceliyoruz.

Fizik

Günümüzde güneş gözesi üretmek için yaygın olarak silisyum kullanılıyor. Ancak bu güneş gözeleri hem pahalıya mal oluyor hem de üretim süreçleri çok zahmetli. Yüksek verim elde etmek için silisyum atomlarının çok düzenli bir yapı oluşturması ve bu yapının içine toz ya da başka yabancı maddelerin karışmaması için üretimin tozsuz odalarda yapılması gerekiyor.

Fizik

İster dinleyelim, ister mırıldanalım, ister bir müzik aleti ya da herhangi bir nesne ile müzik yapalım, ister dans ederek eşlik edelim; müzik hayatımızda önemli bir yere sahip. Biz de ocak ayında objektiflerinizi müziğin hayatınızdaki yerine odaklamanızı istiyoruz. Fotoğraflarınızı Bilim Genç’te paylaşırken açıklama bölümüne #HayatımdakiMüzik etiketini eklemeyi unutmayın.

Fizik

Geride bıraktığımız yılda bilim ve teknoloji alanında birçok gelişmeye şahit olduk. 2019 yılında gerçekleşen önemli bilimsel ve teknolojik gelişmeleri sizin için derledik.