Rekor kırıldı: Kuantum malzemeler artık daha yakın

Fosfor ve silikondan oluşan 15.000 kübitlik bir dizi, elektriği neredeyse kusursuz ileten kuantum malzemeleri simüle etmek için şimdiye kadarki en büyük platformu ortaya koyuyor.

Bu ölçekte geliştirilen bir kuantum simülatörü, egzotik ve potansiyel olarak son derece faydalı malzemelerin nasıl çalıştığını anlamamıza yardımcı olabilir ve gelecekte bu malzemeleri optimize etmenin yolunu açabilir.Kuantum bilgisayarlar, klasik bilgisayarların çözmekte zorlandığı hesaplamaları kuantum olgularından yararlanarak gerçekleştirmeyi hedefliyor.

Benzer şekilde, kuantum fenomenlerini kullanan bir simülatör de araştırmacıların henüz tam olarak kavranamayan malzemeleri ya da molekülleri çok daha doğru şekilde modellemesini sağlayabilir.Bu durum özellikle süperiletkenler gibi, elektriği neredeyse kayıpsız ileten malzemeler için geçerli.

Çünkü bu özelliklerini doğrudan kuantum etkilerinden alıyorlar.

Bu etkiler kuantum simülatörlerde doğrudan uygulanabilirken, geleneksel bilgisayarlarda çok daha karmaşık matematiksel dönüşümler gerektiriyor.Atom atom inşa edilen bir simülasyonAvustralya’daki Silicon Quantum Computing şirketinden Michelle Simmons ve ekibi, kuantum malzemeler için şimdiye kadar geliştirilen en büyük kuantum simülatörünü oluşturdu.

Quantum Twins adı verilen bu platform hakkında konuşan Simmons, ulaşılan ölçek ve kontrol seviyesinin yeni bir dönemin kapısını açtığını söylüyor.

Ekibe göre artık daha önce hiç düşünülmemiş yöntemlerle yeni malzemeler tasarlanabiliyor ve bunun yolu, bu malzemelerin atomik benzerlerini kelimenin tam anlamıyla atom atom inşa etmekten geçiyor.Araştırmacılar bu simülatörleri, silikon çiplerin içine fosfor atomları yerleştirerek üretti.

Her bir atom, kuantum bit olarak adlandırılan bir kübite dönüştürüldü.

Kübitler, kuantum bilgisayarların ve simülatörlerin temel yapı taşları olarak biliniyor.

Ekip, bu kübitleri gerçek malzemelerdeki atom dizilimlerini taklit edecek şekilde farklı ızgara düzenlerinde hassas biçimde yerleştirebildi.Quantum Twins’in her bir versiyonu, 15.000 kübitten oluşan kare bir ızgaraya sahipti.

Bu sayı, şimdiye kadar geliştirilen tüm kuantum simülatörlerin ötesinde bir ölçeğe işaret ediyor.

Daha önce benzer kübit dizileri, birkaç bin adet olmak üzere aşırı derecede soğutulmuş atomlarla elde edilmişti.Elektron davranışlarını birebir taklit etmekDesenleme süreci ve her çipe eklenen elektronik bileşenler sayesinde ekip, çip içindeki elektronların özelliklerini de kontrol edebildi.

Bu kontrol, simüle edilen malzemelerde elektronların nasıl davrandığını anlamak açısından kritik öneme sahip.

Örneğin, ızgaranın herhangi bir noktasına bir elektron eklemenin ne kadar zor olacağını ya da bir elektronun iki nokta arasında sıçrama ihtimalinin ne kadar yüksek olacağını ayarlamak mümkün oldu.Simmons, geleneksel bilgisayarların özellikle büyük iki boyutlu sistemleri ve bazı elektron özelliklerinin birleşimini simüle etmekte zorlandığını, Quantum Twins simülatörlerinin ise bu alanlarda umut vadettiğini belirtiyor.

Ekip, çipleri test ederken, bir malzemedeki düzensizliklerin elektrik akımını nasıl etkilediğini açıklayan ünlü bir matematiksel model üzerinden iletken ve yalıtkan davranışlar arasındaki geçişi simüle etti.Ayrıca sistemin Hall katsayısı da sıcaklığa bağlı olarak ölçüldü.

Bu değer, simüle edilen malzemenin manyetik alanlara maruz kaldığında nasıl davrandığını anlamak açısından önemli bir gösterge olarak kabul ediliyor.Deneylerde kullanılan cihazların boyutu ve değişkenler üzerindeki hassas kontrol, sıradaki hedefin alışılmışın dışında süperiletkenler olabileceğini gösteriyor.

Geleneksel süperiletkenlerin elektron seviyesindeki çalışma prensipleri büyük ölçüde biliniyor.

Ancak bu malzemelerin süperiletken olabilmesi için ya aşırı soğutulmaları ya da çok yüksek basınç altında tutulmaları gerekiyor.

Bu da pratik kullanımın önünde büyük bir engel oluşturuyor.Bazı süperiletkenler daha ılımlı koşullarda çalışabiliyor.

Fakat bunları oda sıcaklığı ve basıncında işlev görecek şekilde tasarlayabilmek için çok daha ayrıntılı, mikroskobik bir anlayışa ihtiyaç var.

İşte kuantum simülatörlerin gelecekte sunabileceği asıl katkı da burada yatıyor.Quantum Twins platformunun potansiyeli bununla da sınırlı değil.

Simmons’a göre bu simülatör, farklı metaller arasındaki ara yüzleri ya da poliasetilene benzeyen moleküllerle metal etkileşimlerini incelemek için de kullanılabilir.

Bu tür çalışmalar, ilaç geliştirme süreçlerinde ya da yapay fotosentez sistemlerinin tasarımında önemli rol oynayabilir.