36 mekanik rezonatör cihazı dizisi için bir platform. Bu dizinin bölümlerinden birine bir nano-rezonatör üretilir ve elektriksel olarak bağlanır. Tüm parçalar daha sonra ölçümler için kriyostatın içine yerleştirilir. Kredi: ICFO
Kuantum bilgisi (QI) işleme, benzersiz hesaplama gücü, güvenlik ve algılama hassasiyeti sunarak teknolojide devrim yaratma potansiyeline sahiptir.
Kuantum bilgileri için donanımın temel birimleri olan qubit’ler, kuantum bilgisayarları ve kuantum bilgilerinin işlenmesi için köşe taşı görevi görür. Ancak, hangi tür kübitlerin gerçekten en iyi olduğuna dair önemli tartışmalar sürüyor.
Bu alandaki araştırma ve geliştirme, hangi sistem veya platformun diğerinden daha hızlı çalıştığını görmek için şaşırtıcı bir hızla artıyor. Birkaçından bahsetmek gerekirse, süper iletken Josephson kavşakları, hapsolmuş iyonlar, topolojik kübitler, aşırı soğuk nötr atomlar ve hatta elmas boşlukları gibi çeşitli platformlar, kübit yapma olasılıkları hayvanat bahçesini oluşturur.
Şimdiye kadar, yalnızca bir avuç kübit platformunun kuantum hesaplama potansiyeline sahip olduğu gösterildi; bu, yüksek doğrulukla kontrol edilen kapılar, kolay kübit-kübit eşleşmesi ve çevreden iyi izolasyon, yani yeterince uzun ömürlü tutarlılık anlamına gelir.
Nano-mekanik rezonatörler, bir avuç dolusu platformun parçası olabilir. Yaylar ve teller (örneğin gitarlar) gibi osilatörlerdir ve sürüldüğünde sürücünün gücüne bağlı olarak harmonik veya uyumsuz sesler çıkarırlar. Peki bir nano rezonatörü mutlak sıfır sıcaklığa kadar soğuttuğumuz zaman ne olur?
Soldan sağa: ICFO’daki grubun laboratuvarlarından birinde ICFO Prof. ve grup lideri Adrian Bachtold, Christoffer Moller, Chandan Samanta, Sergio Lucio de Bonis ve Roger Tormo-Queralt. Kredi: ICFO
Osilatörün enerji seviyeleri nicemlenir ve rezonatör karakteristik sıfır noktası hareketiyle titreşir. Sıfır noktası hareketi, Heisenberg belirsizlik ilkesinden kaynaklanmaktadır. Başka bir deyişle, bir rezonatör temel durumdayken bile hareketini sürdürür. Bir rezonatörün nicelleştirilmiş enerji seviyeleri eşit aralıklı değilse mekanik bir kübitin gerçekleştirilmesi mümkündür.
Zorluk, osilatörün sıfır noktası yer değiştirmesinin çok küçük olduğu kuantum rejiminde doğrusal olmayan etkileri yeterince büyük tutmaktır. Bu başarılırsa sistem, onu daha yüksek enerji durumlarına sokmadan en düşük iki kuantum seviyesi arasında manipüle ederek bir kübit olarak kullanılabilir.
Uzun yıllardır, mekanik bir nano rezonatöre sahip bir kübit sistemi gerçekleştirmeye büyük ilgi var. 2021’de Fabio Pistolesi (Univ. Bordeaux-CNRS), Andrew N. Cleland (Univ. Chicago) ve ICFO Prof. Adrian Bachtold, ultra güçlü bir eşleşme rejimi altında bir çift kuantum noktasına bağlı bir nanotüp rezonatörüne dayanan sağlam bir mekanik kübit konsepti oluşturdu.
Bu teorik sonuçlar, bu nanomekanik rezonatörlerin gerçekten de kübitler için ideal adaylar olabileceğini kanıtladı. Neden? Kuantum hesaplama için kesin bir “zorunluluk” olan uzun tutarlılık sürelerine sahip olduklarını gösterdiler.
Üzerinde çalışılacak teorik bir çerçeve olduğu göz önüne alındığında, şimdi asıl zorluk, mekanik bir rezonatörden bir kübit yapmak ve sistemdeki doğrusal olmama durumlarını kontrol etmek için uygun koşulları ve parametreleri bulmaktı.
Bu sistemler üzerinde birkaç yıl süren bitmeyen çalışmadan sonra, bunu deneysel olarak gerçekleştirmenin zorlukları ilk memnuniyetle karşılanan yeşil ışık yaktı. Nature Physics’te yayınlanan yakın tarihli bir çalışmada, ICFO Prof. Adrian Bachtold liderliğindeki ICFO araştırmacıları Chandan Samanta, Sergio Lucio de Bonis, Christoffer Moller, Roger Tormo-Queralt, W. Yang, Carles Urgell, Kaliforniya Santa Barbara Üniversitesi’nden araştırmacılar B. Stamenic ve B.Thibeault, Paris-Saclay-CNRS, D.A. Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndan Czaplewski ve Univ. Bordeaux-CNRS, kuantum rejiminde mekanik bir osilatörün uyumsuzluğunu artırmak için yeni bir mekanizma göstererek, mekanik bir kübitin gelecekte gerçekleştirilmesine yönelik ilk deneysel ön adımları gerçekleştirdi.
36 mekanik rezonatör cihazı dizisi için bir platform.Asılı nanotüpün her iki ucunda elektrostatik olarak tünel bağlantıları oluşturarak titreşen nanotüp üzerinde iki seviyeli bir elektronik sistem olan bir kuantum noktası tanımladılar.
Ardından, kapı elektrotundaki voltajı ayarlayarak, nanotüp üzerine her seferinde yalnızca bir elektronun akışına izin verdiler. Nanotüpün mekanik hareketi daha sonra tek elektron tünelleme rejiminde tek elektrona bağlandı. Bu elektromekanik bağlantı, mekanik sistemde uyumsuzluk yarattı.
Daha sonra, sıcaklığı mK’ye (milikelvin, neredeyse mutlak sıfır) düşürdüler ve nanotüp üzerindeki her ek elektronun, nanotüpün denge konumunu sıfır noktası genliğinden uzaklaştırdığı ultra güçlü bir eşleşme rejimine girdiler.
Sıfır noktası hareketine göre yalnızca 13 katlık bir genlikle, bu doğrusal olmayan titreşimleri fark edebildiler. Sonuçlar şaşırtıcı çünkü diğer rezonatörlerde mevcut olan ve kuantum temel durumuna soğutulan titreşimlerin, yalnızca sıfır noktası hareketinden yaklaşık 106 kat daha büyük genliklerde doğrusal olmadığı gösterildi.
Bu yeni mekanizma olağanüstü fizik sergiliyor çünkü beklenenin aksine, titreşimler temel duruma yaklaştıkça uyumsuzluk artıyor. Bu, şu ana kadar diğer tüm mekanik rezonatörlerde gözlemlenenin tam tersidir.
İlk yazar Chandan Samanta’nın altını çizdiği gibi, “Araştırmacılar nanomekanik rezonatörleri ilk kez incelemeye başladıklarında, kuantum temel durumundaki titreşimlerde doğrusal olmama durumuna ulaşmanın mümkün olup olmayacağı tekrarlanan bir soruydu. Alanın önde gelen bazı araştırmacıları, teknolojik sınırlamalar nedeniyle bunun zorlu bir başarı olacağını savundu ve bu görüş şimdiye kadar kabul edilen paradigma olarak kaldı. Bu bağlamda, çalışmamız önemli bir kavramsal ilerlemeyi temsil ediyor çünkü kuantum rejiminde doğrusal olmayan titreşimlerin gerçekten elde edilebilir olduğunu gösteriyoruz. Doğrusal olmayan etkilerin, kuantum temel durumuna yaklaşılarak daha da geliştirilebileceğinden eminiz, ancak mevcut kriyostatımızın sıcaklığı ile sınırlıydık. Çalışmamız, kuantum rejiminde doğrusal olmayan titreşimler elde etmek için bir yol haritası sunuyor.”
Şimdiye kadar diğer mekanik rezonatörlerde gözlemlenenin aksine, araştırma ekibi, kuantum rejimine yakın bir mekanik osilatörün uyumsuzluğunu artırmak için bir yöntem buldu. Bu çalışmanın sonuçları, mekanik kübitlerin ve hatta kuantum simülatörlerinin gelecekteki gelişimi için ilk basamakları oluşturdu.
Adrian Bachtold’un da belirttiği gibi, “Ultra güçlü eşleşme rejimine girmemiz ve rezonatörde güçlü uyumsuzluk gözlemlememiz dikkate değer. Ancak, rezonatörün bir kuantum noktasına bağlanması nedeniyle düşük sıcaklıklarda sönümleme oranı büyük olur. Cat durumlarını ve mekanik kübitleri hedefleyen gelecekteki deneylerde, uzun ömürlü mekanik durumlarla birlikte güçlü doğrusal olmama durumlarını mümkün kıldığından, nanotüp titreşimlerini bir çift kuantum noktasına bağlamak avantajlı olacaktır. Çift kuantum noktasındaki elektrondan kaynaklanan sönüm, düşük sıcaklıkta katlanarak bastırılır, böylece düşük sıcaklıkta nanotüplerde ölçülen 10 Hz’lik bir sönümleme hızı elde etmek mümkün olmalıdır.”
Referans: “Kuantum temel durumuna yaklaşan doğrusal olmayan nanomekanik rezonatörler”, yazan C. Samanta, S. L. De Bonis, C. B. Møller, R. Tormo-Queralt, W. Yang, C. Urge ll, B. Stamenic, B. Thibeault, Y. Jin, D. A. Czaplewski, F. Pistolesi ve A. Bachtold, 8 Haziran 2023, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-023-02065-9`
.