Kuantum hesaplamanın en büyük problemlerinden biri olan ısı ve gürültü, bu defa tahlilin kendisi oldu. İsveç’teki Chalmers Teknoloji Üniversitesi araştırmacıları, kuantum sistemlerini soğutmak için rastgeleliği denetimli biçimde mikrodalga sinyalleri üzerinden kullanan yeni bir formül geliştirdi.

Kuantum bilgisayarlar, teoride klasik bilgisayarların ulaşamayacağı hesaplama gücüne sahip. Lakin bu potansiyelin önündeki en büyük mahzur, kübitlerin çok hassas yapısı. En küçük bir titreşim, tek bir foton ya da ihmal edilebilir seviyedeki bir ısı dalgalanması bile kuantum bilgisini yok edebiliyor. Bu nedenle araştırmacılar yıllardır “gürültüyü” büsbütün ortadan kaldırmaya çalışıyor.

Nature Communications mecmuasında yayımlanan araştırmada grup, “minimal kuantum buzdolabı” olarak isimlendirilen bir sistem tanıttı. Bu sistem, klasik bir soğutucuda olduğu üzere ısıyı bir bölgeden alıp denetimli biçimde diğer bir istikamete taşıyarak hedeflenen kuantum bileşeni soğutuyor lakin bunu mikroskobik ölçekte ve mikrodalga gürültüsü yardımıyla gerçekleştiriyor. Dolayısıyal rastgelelik burada bir sorun değil, bilakis denetimli bir araç olarak kullanılıyor.

Yapay molekül deneyin merkezinde

Deneyin merkezinde, atomlardan değil elektronik devrelerden oluşan süperiletken bir “yapay molekül” yer alıyor. Doğal moleküllerde olduğu üzere bu yapı da güç alışverişini iki farklı mikrodalga kanalı üzerinden gerçekleştiriyor. Bu kanallar, biri sıcak başkası soğuk olmak üzere iki farklı rezervuar üzere çalışıyor.

Araştırmacılar üçüncü bir kanal üzerinden sisteme belli bir frekans bandında rastgele sinyal dalgalanmaları enjekte ettiğinde, bu gürültü ısı taşınımını başlatan ve düzenleyen bir anahtar fonksiyonu görüyor. Gürültünün spektrumu şuurlu biçimde şekillendirildiğinde, attowatt mertebesinde ısı akımları hem ölçülebiliyor hem de kontrol edilebiliyor.

Bunu ölçeklendirmek gerekirse, bu kadar düşük bir ısı akımıyla bir damla suyu ısıtmaya çalışsanız, sıcaklığını sırf 1 santigrat derece artırmak için evrenin yaşından daha uzun mühlet beklemeniz gerekir.

Bu fikir, uzun müddettir teorik olarak bilinen Brownian soğutma kavramına dayanıyor. Teoriye nazaran, rastgele hareketler yanlışsız şartlar altında taraflı bir soğutma tesiri yaratabiliyor. Çalışmanın kıdemli müellifi ve Chalmers’ta doçent olan Simone Gasparinetti, geliştirilen sistemin bu teorinin şimdiye kadarki en eksiksiz deneysel gerçekleştirmesi olduğunu söylüyor. Gürültüye yapan bir rol vererek, klasik kriyojenik soğutmanın yetersiz kaldığı son derece küçük ölçeklerde termodinamik istikrarın kurulabildiğini vurguluyor.

Mutlak sıfıra yakın çalışan kuantum işlemciler

IBM, Google ve gibisi şirketlerin geliştirdiği süperiletken tabanlı kuantum işlemciler, yaklaşık -273 °C, yani mutlak sıfıra çok yakın sıcaklıklarda çalışmak zorunda. Bu şartlarda elektronlar dirençsiz hareket ediyor ve kuantum mantığının temelini oluşturan dolaşık durumlar ortaya çıkabiliyor. Lakin bu çok düşük sıcaklıklara karşın, ısı hala kuantum hesaplamanın en inatçı düşmanlarından biri olmaya devam ediyor.

Özellikle büyük ölçekli kuantum mimarilerinde, potansiyel ısı ve gürültü kaynaklarının sayısı süratle artıyor. Bu da sırf dıştan yapılan soğutmanın kâfi olmayacağını, devrelerin kendi içinde yerel ısı kontrolüne muhtaçlık duyulduğunu gösteriyor.

Chalmers takımının geliştirdiği minimal kuantum buzdolabı sadece soğutma fonksiyonuyla sonlu değil. Rezervuarların ayarlarına bağlı olarak sistem bir ısı motoru ya da bir yükselteç olarak da çalışabiliyor. Bu çok taraflılık, gelecekte modüler kuantum bileşenlerinin tasarlanmasında kritik bir rol oynayabilir.