Kuantum bilgisayarlar, hassas ve kısa ömürlü kuantum mekanik durumlarına dayalı olarak bilgi işler. Qubit olarak adlandırılan bu kuantum bitlerini daha dayanıklı hale getirip uygulamalara uygun hale getirmek isteyen Enerji Bakanlığı’nın Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndan araştırmacılar, yeni bir malzeme sistemi oluşturmayı hedeflediler.
“Yeni malzemeler kullanarak kuantum bilgisayarlar oluşturmak istiyoruz,” diyen ORNL malzeme bilimci Robert Moore ve ORNL meslektaşı Matthew Brahlek, Advanced Materials dergisinde yayınlanan bir çalışmanın başında bulunuyorlar.
Elektrik akımına hiç direnç göstermeyen bir süperiletkeni, elektriksel olarak iletken yüzeylere sahip ancak yalıtkan bir içeriğe sahip olan bir topolojik yalıtkanla birleştirdiler. Sonuç, atomik olarak keskin bir arayüz oluşturdu, farklı simetrik düzenlemelere sahip kristalin ince filmleri arasında. Tasarladıkları ve mühendislikle oluşturdukları bu yeni arayüz, egzotik fizikse ve üstün bir qubit olarak potansiyeli bulunan benzersiz bir kuantum yapı taşı ortaya çıkarabilir.
“Bu, daha dayanıklı kuantum mekanik özelliklere sahip malzemelerle qubitler yapmaktır,” diyor Moore. “Önemli olan, topolojik yalıtkanın ve süperiletkenin elektronik yapısını bağımsız olarak kontrol etmeyi öğrenmiş olmamız, böylece bu arayüzdeki elektronik yapısını özelleştirebiliyoruz. Bu daha önce hiç yapılmamıştı.”
Bir arayüzün her iki tarafındaki elektronik yapının kontrol edilmesi, içeride Majorana partikülleri olarak adlandırılan şeyleri oluşturabilir. “Doğada, elektronlar ve pozitronlar gibi parçacıklar ve antiparçacıklarımız var, birbirleriyle temas ettiklerinde birbirlerini yok ediyorlar. Bir Majorana parçacığı kendi antiparçacığıdır,” diyor Moore. 1937’de Ettore Majorana bu egzotik parçacıkların varlığını öngördü, ancak varlığı henüz kanıtlanmış değil.
2008’de teorik fizikçiler Liang Fu ve Charlie Kane, bir topolojik yalıtkanla süperiletken arasında yeni bir arayüz oluşturmanın Majorana partikülleri barındırması gereken yeni bir madde fazını üreteceğini önerdiler.
ORNL’den Matt Brahlek, atomdan atoma ince film bir arayüzü büyütmek için moleküler ışın epitaksisini kullanarak. Kredi: Carlos Jones/ORNL, Enerji Bakanlığı, ABD Enerji Bakanlığı “Eğer bir çift Majorana parçacığınız varsa ve birbirlerinin etrafında hareket ederseniz, bu hareketin bir hafızası vardır. Her zaman birbirlerinin konumunu bilirler,” diyor Moore. “Bu süreç, kuantum bilgisini kodlamak ve yeni yollarla hesaplamak için kullanılabilir.”
Ancak Majorana partiküllerini barındırabilen bir madde fazının gerçekleşmesi, doğru malzemeyi bulmaya bağlıdır. Bu başarı, çeşitli uzmanların bir ekibinin çabası gerektirir.
Moore 2019’da ORNL’ye geldiğinde, malzemelerin elektronik yapısını incelemek için kullanılan bir teknik olan açısal çözünürlüklü fotoemisyon spektroskopisi (ARPES) konusundaki yeni bir uzmanlık getirdi. ARPES, Albert Einstein’ın 1921 Nobel Fizik Ödülü’nü kazandığı fotoelektrik etkisine dayanır. Bir örnek üzerine bir ışık kaynağı odaklanır ve elektronlar, fotonlardan enerjiyi emdiğinde malzeme yüzeyinden çıkan elektronları karakterize eder. Bu teknik, bilim adamlarının bir malzeme içinde elektronların nasıl davrandığını anlamalarına yardımcı olur.
Bu ARPES uzmanlığına yapılan stratejik yatırım, 2020 yılında başlatılan ve ORNL’nin Travis Humble tarafından yönetilen beş DOE Ulusal Kuantum Bilgi Bilimi Araştırma Merkezinden birini yönetme teklifini kazanmasına yardımcı oldu. QSC, donanım ve algoritmalar geliştirerek ve yeni malzemeler keşfederek kuantum bilgisayar ve algılama uygulamalarını gerçekleştirmeyi amaçlamaktadır. Moore ve meslektaşları donanım geliştirme için topolojik malzemelere odaklanmaktadır. Nisan ayından bu yana Moore, geleceğin laboratuvarlarını geliştirmek için Ben Mintz ile birlikte ORNL’nin Bağlantılı Bilim Ekosistemi’ni (INTERSECT) yönetmektedir – araştırma
