Kuantum Yayıcılar ve Kızılötesi Lazerlerle Yeni Nesil Bilgisayarların Oluşturulması

Bilgisayarların tarihi, modern teknolojinin tarihi ile iç içe geçmiştir. Her şey 19. yüzyılda, Fransız tüccar ve mucit Marie Jacquard'ın 1801 yılında kumaş tasarımlarını otomatik olarak dokumak için delikli ahşap kartlara sahip bir dokuma tezgahı icat etmesiyle başladı.

Bununla birlikte, o yüzyılda otomatik hesaplamadaki en önemli ilerleme, İngiliz matematikçi Charles Babbage'nin sayı tablolarını hesaplayabilen, buharla çalışan bir hesaplama makinesi tasarlamasıyla gerçekleşti. 20. yüzyılın en çığır açan buluşu, 1936'da İngiliz bilim adamı ve matematikçi Alan Turing'den geldi ve daha sonra Turing Makinesi olarak adlandırılacak evrensel bir makineyi tanıttı. Bilim insanları, modern bilgisayar kavramının temel olarak Alan Turing'in fikirlerine dayandığını öne sürüyor.

O zamandan beri bu bir ilerleme zinciri oldu. 1939'da David Packard ve Bill Hewlett, Hewlett Packard Şirketini kurdu ve 1953'te Grace Hopper ilk bilgisayar dili olan COBOL'u geliştirdi, ardından John Backus ve IBM'deki programcı ekibi, yeni oluşturdukları FORTRAN programlama dilini açıklayan bir makale yayınladılar.

Yıllar boyunca bilgi işlem teknolojisini zenginleştiren buluşlar akışı birçok yöne odaklandı. Bazen çığır açan bir dilin veya yazılımın geliştirilmesi, bazen de önemli bir donanımın geliştirilmesi oldu. Bu tür icatlar gerçekleşmeye devam ediyor ve kelimenin tam anlamıyla 'fütürist' olan yeni nesil bilgisayarların yapımına yardımcı oluyor.

Aşağıdaki bölümlerde Kuantum Yayıcılar ve Kızılötesi Lazerleri içeren bu türden iki buluşa bakacağız. 

Büyük Bir Atılıma Doğru: Ölçeklenebilir Bir Kuantum Bilgisayarı

Başarı, Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (Berkeley Lab) liderliğindeki bir araştırmacı ekibinden geliyor. Araştırmacılar girişimlerinde başarılı olduklarını iddia ediyorlar silikon katkılayarak kübitler oluşturmak ve 'yok etmek' için femtosaniye katmanı kullanın hidrojen ile. Araştırmacılar bu tatbikatı talep üzerine ve hassasiyetle gerçekleştirebileceklerini vurguladı. 

Ancak araştırmanın önemini tam olarak anlayabilmek için kübitlerin ne olduğunu ve neden önemli olduklarını bilmeliyiz!

Milyarlarca Qubit'i Bir Araya Getirme İhtiyacı

Kuantum bilgisayarlar, sorunları şu anda mevcut olan en gelişmiş süper bilgisayarların bazılarından milyonlarca kat daha hızlı çözme yetenekleri açısından çığır açıcı olabilir. Bu makineler sağlık, ilaç ve yapay zeka gibi alanlarda devrim niteliğinde atılımlara öncülük etme potansiyeline sahip. Ancak tüm bunların gerçekleşebilmesi için endüstrinin milyarlarca veriyi bir araya getirmenin bir yolunu bulması gerekecek. kübitler veya kuantum bitleri, son derece verimli bir kuantum bilgisayar ağının nihai gelişimine yol açıyor.

Araştırma artık kuantum düğümlerini uzak bir ağ üzerinden bağlayabilen programlanabilir optik kübitler veya 'spin-foton kübitleri' kullanarak kuantum bilgisayarlarını güçlendirmenin bir yolunu gösterdi. 

Berkeley Laboratuvarı Hızlandırıcı Teknolojisi ve Uygulamalı Fizik (ATAP) Bölümü'nde doktora sonrası araştırmacı olan Kaushalya Jhuria, araştırmanın önemini ve elde ettiği sonuçları açıklarken şu açıklamalarda bulundu:

"Ölçeklenebilir bir kuantum mimarisi veya ağı oluşturmak için, talep üzerine, istenen konumlarda güvenilir bir şekilde oluşturulabilen kübitlere ihtiyacımız var, böylece kübitlerin nerede olduğunu bilebiliriz. yer almaktadır bir malzemede. İşte bu yüzden yaklaşımımız kritiktir. Çünkü belirli bir kübitin nerede bulunduğunu bildiğimizde, bu kübiti sistemdeki diğer bileşenlere nasıl bağlayacağımızı ve bir kuantum ağının nasıl oluşturulacağını belirleyebiliriz.”

Peki araştırma bu hedefe nasıl ulaşıyor? Bunu, programlanabilir kontrolle silikonda kübitler oluşturarak yapıyor. 

Silikonun 'Renk Merkezleri' ve 'Spin Foton Kübitlerinin' Hikayesi

DOE'nin Bilim Ofisi'nin desteğiyle, ders çalışma silikonda “renk merkezleri” olarak bilinen programlanabilir kusurlar oluşturmak için bir gaz ortamı kullandı. Bu renk merkezleri “spin foton kübitleri” veya özel telekomünikasyon kübitleri için adaydır.

Kuantum veya kubit biti, kuantum bilgisinin temel birimidir. Kuantum bilgi sisteminin bu en küçük bileşeni, süperpozisyon olarak bilinen verileri 1, 0 veya bunların arasındaki her şeyi kodlar. Bu arada spin foton kubitleri, elektron spininde kodlanmış bilgileri büyük mesafeler boyunca taşıma yeteneğine sahip fotonlar yayar.

Şimdi, güvenli bir kuantum ağını tam olarak desteklemeye yardımcı olabilecek bu özel kubitleri oluşturmak için çalışmada, yalnızca femtosaniyeler içinde enerji darbeleri yayabilen ultra hızlı bir lazer kullanıldı; her bir darbe, saniyenin katrilyonda biri kadar kısa olup, 100 m'den daha büyük olmayan bir alanı hedef alıyordu. bir toz parçacığı.

Ekip, ortaya çıkan renk merkezlerinin optik (fotolüminesans) sinyallerini, onları karakterize etmek amacıyla yakın kızılötesi bir dedektör kullanarak incelerken, kuantum yayıcı olan bir Ci merkezi buldu. Ci merkezi, basit bir yapıya ve gelecek vaat eden dönme özelliklerine sahiptir ve oda sıcaklığında stabil kalır, bu da onu telekom veya frekans bandında fotonlar yayan oldukça etkileyici bir spin foton kubit adayı haline getirir. Jhuria'ya göre:

"Literatürden Ci'nin şunları yapabileceğini biliyorduk: oluşturulacak silikonda, ancak yaklaşımımızla bu yeni spin foton kübit adayını gerçekten yapmayı beklemiyorduk." 

İlginç bir şekilde, silikonun hidrojen varlığında işlenmesi sırasında femtosaniye lazer yoğunluğunun arttırılması, hidrojenin hareketliliğini de artırabilir. Bu da silikon kafesi hasarsız bırakırken istenmeyen renk merkezlerini pasifleştirir.

Teorik bir analiz ayrıca Ci renk merkezinin parlaklığının hidrojen varlığında önemli ölçüde artırılabileceğine dair deney gözlemlerini doğruladı. Jhuria'nın açıkladığı gibi, lazer darbeleri sadece dışarı fırlamakla kalmıyor, aynı zamanda hidrojen atomlarını geri getirerek "kesin konumlarda istenen optik kübitlerin programlanabilir oluşumuna olanak tanıyor." 

Güvenilir renk merkezleri oluşturmak yalnızca başlangıçtır; Ekip artık birbirleriyle konuşmak ve hangilerinin en iyi performansı gösterdiğini görmek için farklı kübitler almak istiyor. 

"Silikon gibi uygun ölçekte mevcut bir malzemede programlanabilir konumlarda kübitler oluşturma yeteneği, pratik kuantum ağ oluşturma ve hesaplamaya yönelik heyecan verici bir adımdır."

– Cameron Geddes, ATAP Bölümü Direktörü

Teknik daha sonra optik kübitleri dalga kılavuzları gibi kuantum cihazlarına dahil etmek ve seçilen uygulamalar için optimize edilmiş özelliklere sahip yeni spin foton kübit adayları bulmak için kullanılacak.

Kuantum Hesaplamaya Ulaşmak İçin Yeni Yaklaşımlar: Moleküllerle Çalışmak

Kuantum hesaplama alanı, araştırmacıların sürekli olarak bunu gerçekleştirmek için yeni teknikler bulmaya çalışmasıyla, yıllar içinde önemli bir ilgi kazandı. Organik molekülleri manipüle etmek, kuantum hesaplamadaki potansiyel uygulaması için incelenen bir alandır. 

TU Graz'daki ekip, küçük manyetik alanlar oluşturmak için kızılötesi ışık darbeleri kullanarak yetkin moleküllerin nasıl uyarılacağını araştırdı. Bu teknik deneylerde başarılı bir şekilde geliştirilirse kuantum bilgisayar devrelerinde bile kullanılabilir.

Bu Bunun nedeni, kızılötesi ışığın seçici manipülasyonunun aslında manyetik alanın yönünü ve gücünü kontrol etmeyi mümkün kılmasıdır. TU Graz Deneysel Fizik Enstitüsü'nden Andreas Hauser'e göre bunu yapmak, molekülleri yüksek hassasiyetli optik anahtarlara dönüştürüyor ve bu anahtarlar daha sonra kuantum bilgisayar için devreler oluşturmak için bile kullanılabiliyor.

Moleküler titreşimler ve spin manyetizması arasındaki etkileşimler mikrodalga spektroskopisinde iyi bir şekilde belgelenmiş olsa da, bu çalışma, hedeflenen konumlarda manyetik alan oluşturan moleküler titreşimleri aktif olarak uyaracak yöntemler önermektedir.

Manyetik Alanlar Oluşturmak İçin Kızılötesi Lazerlerle Moleküllerin Uyarılması

Kızılötesi ışıkla ışınlandığında, enerji kaynağı nedeniyle moleküller titreşmeye başlar. Bu olguyu başlangıç ​​noktası olarak kullanan fizikçiler, bu titreşimlerin aslında manyetik alanlar oluşturmak için kullanılıp kullanılamayacağını bulmaya başladılar.

Hauser ve ekibi hesaplamalarında örnek olarak metal ftalosiyaninleri kullandı. Ekip, bu halka şeklindeki aromatik düzlemsel boya moleküllerinin yüksek simetrisi nedeniyle, kızılötesi darbelere maruz kaldıklarında nanometre aralığında (< 1 nm) küçük manyetik alanlar ürettiklerini buldu. Buna dayanarak, nükleer manyetik rezonans spektroskopisi yoluyla düşük fakat kesin olarak lokalize edilmiş alanın gücünün ölçülmesi mümkün olmalıdır.

Ekip, lazer spektroskopisinin ilk günlerindeki çalışmalardan faydalanmanın yanı sıra, makrosiklik ftalosiyanin moleküllerinin dairesel polarize kızılötesi ışık yoluyla ışığa maruz kaldığında nasıl davrandığını hesaplamak için süper bilgisayarlardaki modern elektron yapısı teorisini de kullandı. 

Ekip, dairesel polarize ışık dalgalarının, birbirine dik açılarda aynı anda iki moleküler titreşimi harekete geçirdiğini buldu. Bunu rumba tekniğinden beğenen Hauser şöyle açıkladı:

"İleri-geri ve sağ-sol kombinasyonu küçük, kapalı bir döngü yaratıyor. Ve etkilenen her atom çekirdeğinin bu dairesel hareketi aslında bir manyetik alan yaratıyor, ancak bu sadece çok yerel, boyutları birkaç nanometre aralığında.” 

Ancak bunların hepsi sadece teorik. Ekip şimdi moleküler manyetik alanların deneysel olarak kontrollü bir şekilde üretilebileceğini ve böylece gerçekten kullanılabileceğini kanıtlamaya çalışacak. 

Ancak deney için, hedeflenen süreçlerle minimum düzeyde etkileşime giren bir substratın tanımlanması gerekiyor çünkü gelecek uygulamalar, ftalosiyanin molekülünün bir yüzey üzerinde konumlandırılmasını gerektiriyor. Ancak bunu yapmak fiziksel koşulları değiştirir ve bu da ışığın ortaya çıkardığı uyarımı ve manyetik alanın özelliklerini etkiler.

Bu nedenle, deneylerde gerçekten test edilmeden önce ekibin öncelikle biriken ftalosiyaninler, kızılötesi ışık ve destek malzemesi arasındaki etkileşimi hesaplaması gerekiyor. Deney, manyetik koruma sabitlerinde öngörülen değişiklikleri doğrularsa, çalışma bunun molekül içi çözünürlükle titreşimle oluşturulan bir manyetik alanın ilk ölçümü olarak görülebileceğini söylüyor. 

Hakkında bilgi edinmek için buraya tıklayın Balıkçıl ve Akbaba, kuantum hesaplamadaki en son gelişmeler.

Kuantum Bilişim Alanını Geliştiren Şirketler

Microsoft, Intel ve D-Wave gibi kuantum hesaplamayı geliştirmek için çalışan birçok şirket var. IBM, uzun yıllardır kuantum hesaplamaya odaklanan önemli bir isim. Az önce, bu ortaklık Japonya Ulusal İleri Endüstriyel Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (AIST) ile bu on yıl sona ermeden 10,000 kübit içeren bir kuantum bilgisayar üretmesine yardımcı olmak için işbirliği yapıyoruz. Peki tüm bu gelişmelerin arasında sektörün diğer önemli isimlerine daha yakından bakalım:

# 1. Google 

Teknoloji devi, son yıllarda kuantum bilgisayarları oluşturmak için büyük çaba harcıyor. Google, 2019'da ilk kez kuantum bilgisayarların, geleneksel bir süper bilgisayarın başa çıkamayacağı bir algoritmayı çalıştırabildiğini gösterdi.

Geçtiğimiz yıl, Google'ın Sycamore kuantum işlemcisi, önceki sürümündeki 70 kübitten bir sıçrama yaparak 53 kübit ile sunuldu. Bu, onu önceki modele göre yaklaşık 241 milyon kat daha hızlı ve daha sağlam hale getiriyor. Bu arada Google'ın yeni kuantum bilgisayarı, mıknatısların davranışını çok ayrıntılı bir şekilde simüle ediyor ve manyetizma hakkında daha derin bir anlayış kazanmamıza yardımcı olabiliyor.

Kuantum hesaplamayla ilgili olarak Google, donanım ve yazılım bileşenlerinin kusursuz entegrasyonunu kapsayan tam yığın yaklaşımını kullanır. Şirket şu anda kuantum algoritmaları alanını ilerletmek için XPRIZE Kuantum Uygulamaları adlı 3 yıllık, 5 milyon dolarlık küresel bir yarışmayı yürütüyor.

Piyasa değeri 2.2 trilyon dolar olan Google hisseleri, yılbaşından bu yana %177.08 artışla 26.88 dolardan işlem görüyor. EPS (TTM) 6.52, F/K (TTM) 27.18 ve temettü verimi %0.45'tir. Şirket, 1'ün ilk çeyreğinde yıllık bazda %2024 artışla 80.5 milyar dolar gelir elde ederken, faaliyet marjı da %15'ye yükseldi.

# 2. vadi 

Bu teknoloji şirketi kuantum hesaplama konusunda da bazı somut adımlar atmaya başladı. Yakın zamanda Dell, IonQ ile geliştirilen hibrit bir klasik/kuantum platformunu tanıttı. Ayrıca kuantum bilişim, yapay zeka ve uç bilişim alanlarındaki gelişmeleri keşfetmek için Aramco ile iş birliği yapacağını da duyurdu. Aramco ve Dell birlikte enerji optimizasyonu, hava durumu modellemesi, malzeme bilimi ve tahmine dayalı bakım alanlarındaki karmaşık zorlukları kuantum hesaplama yoluyla çözmeyi amaçlıyor. 

Dell Technologies Ireland MD Catherine Doyle'a göre kuantum bilişim, "yakın gelecekte iç içe geçeceğinden" yapay zeka ilerlemelerine de yardımcı olacak.

Piyasa değeri 100.74 milyar dolar olan Dell hisseleri şu anda YTD'ye göre %144.50 artışla 85.66 dolardan işlem görüyor. EPS (TTM) 4.36, F/K (TTM) 32.55 ve temettü verimi %1.25'tir. Şirket, 1'ün ilk çeyreğinde 2024 milyar dolar gelir ve 22.2 milyon dolar net gelir elde etti.

Sonuç

Kuantum hesaplama araştırmacılar, kuruluşlar ve hükümetler için giderek artan bir ilgi alanıdır. Yüksek hız, gelişmiş güvenlik, daha fazla verimlilik, doğru simülasyon ve iyileştirilmiş analiz sunma yeteneği nedeniyle, devam eden araştırma ve yatırımlarla birlikte odaklanmanın artması mantıklıdır; bu da sonunda kuantum hesaplamanın gerçeğe dönüştüğünü görebilir ve bulgu verebilir. sektörler arası uygulanması.

Kuantum hesaplamanın mevcut durumu hakkında bilgi edinmek için burayı tıklayın.