Uzun zamandır konuşulan ultra hızlı bilgisayara bir adım daha yaklaşıldı. Üzerinde durulan dünyadaki en sert malzemelerden biri - elmas.
Bilgisayar teknolojisi bir devrim geçirecek ve mikrochip teknolojisi ile gelen devrim kadar büyük olmasa da bizi farklı bir noktaya götürecek mi?
Quantum mekaniği önceleri çok küçük ölçekte, atom ölçeğinde, nasıl olup ta enerjinin quanta adı verilen bölmelerle geldiği; su gibi sürekli olmadığı hatta para gibi ayrık olduğu üzerinde duruyordu. Işık bile taneli, foton adı verilen küçük enerji paketlerine ayrılıyor.
Bunlar bir kenera, bugün quantum fizikçileri artık quanta üzerinde değil, bilgi üzerinde konuşuyor. Düşündükleri özünde quantum mekaniğinin dünya ile ilgili neyin bilinebileceği, neyin bilinemeyeceği. Meşhur belirsizlik prensibi ve quantum objelerinin hem orada hem de burada olabileceği fikri bundan yola çıkıyor.
Bu yalnızca teori değil. Bu yeni görüşler quantum bilgi teknolojisi adı altında potansiyel uygulama alanları buldu: bilinen günlük klasik kurallar yerine quantum kurallarını kullanarak bilgiyi kaydetmek, aktarmak, işlemek gibi. Bu teorinin en önemli kaldıraçlarından biri de quantum bilgisayarı.
Bu alanda çalışanlar için quantum bilgisayarının nasıl çalışacağı biliniyor olsa da, nasıl yapılacağını bilen yok. Oyuncak tabir edilecek ve bir kaç bit ile işlem yapan (cep telefonunuzda milyarlarca bit var) quantum bilgisayarları yapıldı, hatta uzmanların karşı olmasına rağmen bazı şirketler primitif versiyonlarını satışa bile sunmaya başlıyor. Son yıllarda kaydedilen bu ufak gelişmelere rağmen, yakın bir gelecekte işe yarar bir quantum bilgisayarımızın olacağına dair bir işaret yok.
Öteyandan Almaya’dan gelen ve önemli bir adım sayılabilecek habere göre quantum bilgisayar için ideal malzeme elmas olabilir. İlk aklınıza maliyeti ne olacak sorusu gelmesin. Öyle dünyalara malolmayacak. Bu gibi cihazlar için gereken çok ince elmasın madenlerden elde edilmesine gerek yok. Metan gibi karbon açısından zengin gazlardan suni olarak yapılabilir. Ucuz demek de mümkün değil ama kullandığımız elektronik cihazlarda kullanılan yarı iletken filmlerin üretimi için kullanılan yöntemler de ucuz değil.
Bilgisayarlar bilgiyi binary biçimde kodlayıp, işlerler; yani 0 ya da 1 değerini alan bit’lerle. Stuttgart Üniversitesi’nden Florian Dolde ve çalışma arkadaşları, bir quantum bilgisayarında bu bilgiyi tutabilecek ideal elementin elmas film içine yerleştirilmiş nitojen atomları olduğunu düşünüyor. Nitrojen atomları, elmas içinde bulunan karbon atomlarına göre bir fazla elektrona sahip. Bu fazla elektron spin özelliğinden dolayı iki farklı quantum vaziyeti alabiliyor. Bu spin, manyetik disk ya da teyplerde kullanılan mıknatısın kutupları gibi değil de “aşağı” ya da “yukarı” yönlü gibi düşünülebilir.
Bir süredir yalnızca bu kadarı biliniyordu ve nitrojen dopingli elmasla quantum bilgisayarı deneyleri yapılıyordu. Dolde ve arkadaşları tarafından kaydedilen gelişme aslında elması çok düşük sıcaklık seviyelerine soğutmaya gerek duymadan, nitrojen elektronlarındaki bu spinleri nasıl yerleştirebilecekleri.
Quantum bilgisayarlarının çok güçlü olacağı görüşünün arkasındaki neden klasik bitlere göre quantumdaki bir grup bitin çok daha fazla sayıda farklı durum alabilmesi. Çünkü quantum parçacıkları aynı zamanda iki ya da daha fazla sayıda durumda olabiliyor – süperpozisyon adı verilen durum. Dolayısıyla her quantum biti (qubit) 1 ya da 0 olmak zorunda değil. Ikisinin karışımı olabilir. Sonuçta bir grup qubit pek çok farklı hesaplamayı, kullandığımız bilgisayarlarda olduğu gibi sırayla değil, bir anda yapabilir.
Bunu yapabilmek için genelde qubitlerin dolaşık durumda olması gerektiği düşünüldü. Bu da birinin quantum vaziyetinin diğerlerininkine bağlı olduğu anlamını çıkarıyor, her ne kadar bu vaziyetler ölçülmeden kesinleşmemiş olsa da. Başka bir deyişle farklı yönlerdeki iki spini karıştırıp, birini örneğin “yukarı” olarak ölçtüğünüzde diğeri anında “aşağı” oluyor, aralarındaki mesafe ne kaar uzak olursa olsun. Aralarında Einstein’ın da bulunduğu ilk quantum teoristleri bunun mümkün olamayacağını düşünüyordu. Halbu ki bugün bu dolaşıklık kesinleşmiş bir gerçek.
İşte kilit nokta burada geliyor: pek çok quantum özelliği gibi dolaşıklık da hassas bir konu. Diğer atomların itip, kakması arasında bir çift dolaşık parçacık özel bağlarını kaybedebilir ve vaziyetleri birbirinden bağımsız hale gelebilir. Dolaşıklığı muhafaza etmek içinse parçacıkların mutlak sıfır dereceye soğutulup, itip kakmanın durdurulması gerekir. Bu kadar soğuk ortama ihtiyaç duyan bir quantum bilgisayarının ciddi bir talep bulamayacağı da açık.
Ancak Dolde ve arkadaşları, elmas içine hapsedilmiş onlarva nanometre uzaklıkta iki nitrojen atomunun oda sıcaklığında dolaşık zasiyette bir kaç milisaniye tutulabileceğini göstermiş. Bu süre de quantum hesaplamaları yapmak için yeterli bir süre. Mikrodalga fotonları kullanarak atomları dolaşık vaziyete gelmeleri için tetiklemişler. Nitorjen iyonları (yüklü atomlar) ışını, elmas bir film üzerine, 20 nanometre aralıklı delikleri olan bir kalıp kullanarak gönderilmiş.
Nitojen dopinglü elmas quantum bilgisayarların anlatıldığı bir makale de Almanya’daki Ulm Üniversitesi’nden Martin Plenio ve ekibinden gelmiş. Teoride (henüz daha fazla değil) böyle bir sistemin quantum simülatörü olarak kullanılabileceğini göstermişler. Quantum simülatörü, diğer quantum sistemlerinin nasıl davranacağını hesaplayan bir çeşit kuantum bilgisayarı. Quantum davranışının tahmin edilmesinde kullanılan matematik biraz karışık ve günümüzün bilgisayarları bu işlemde zorlanıyor. Ancak quantum kuralları ile çalışan quantum simülatörü, zaten bileşenlerinde bir “quantum’luk” olduğundan bu gibi hesaplamaları çok daha kolay yapabiliyor. Sonuçta elmas, yıllardır uğraşılan bu konuda önümüze çıkan engellerin sertliğini alabilir gibi duruyor.
Adaptasyon: Philip Ball - http://www.bbc.com/future/story/20130218-diamond-idea-for-quantum-computer/2