‘Kuantum İnternet’ Veri Işınlamasındaki Gelişmelerle Santimler Daha Yakın

Santa Barbara, Kaliforniya’dan Hefei, Çin’e kadar bilim adamları, günümüzün makinelerini oyuncak gibi gösterecek yeni bir bilgisayar türü geliştiriyorlar.

Kuantum mekaniğinin gizemli güçlerinden yararlanan teknoloji, süper bilgisayarların bile binlerce yılda tamamlayamadığı görevleri dakikalar içinde gerçekleştirecek. 2019 sonbaharında Google, bunun mümkün olduğunu gösteren deneysel bir kuantum bilgisayarı tanıttı. İki yıl sonra, Çin’deki bir laboratuvar hemen hemen aynısını yaptı.

Ancak kuantum hesaplama, başka bir teknolojik atılımın yardımı olmadan potansiyeline ulaşamayacak. Uzak makineler arasında kuantum bilgisi gönderebilen bir bilgisayar ağı olan “kuantum internet” olarak adlandırın.

Hollanda’daki Delft Teknoloji Üniversitesi’nde fizikçilerden oluşan bir ekip, üç fiziksel konuma veri göndermek için kuantum ışınlama adı verilen bir teknik kullanarak geleceğin bu bilgisayar ağına yönelik önemli bir adım attı. Daha önce, bu sadece iki ile mümkündü.

Yeni deney, bilim insanlarının kuantum ağını giderek daha fazla sayıda siteye yayabileceğini gösteriyor. Ekibi denetleyen Delft fizikçisi Ronald Hanson, “Şu anda laboratuvarda küçük kuantum ağları inşa ediyoruz” dedi. “Ama fikir sonunda bir kuantum internet inşa etmek.”

Bu hafta Nature bilim dergisinde yayınlanan bir makaleyle açıklanan araştırmaları, Albert Einstein’ın bir zamanlar imkansız olarak gördüğü bir olgunun gücünü gösteriyor. Kuantum ışınlama – “uzaktan ürkütücü eylem” dediği şey – onu tutan fiziksel maddeyi fiilen hareket ettirmeden konumlar arasında bilgi aktarabilir.

Bu teknoloji, verilerin bir yerden bir yere gitme şeklini büyük ölçüde değiştirebilir. Atom altı alanı yöneten ve günlük hayatımızda deneyimlediğimiz hiçbir şeye benzemeyen bir fizik alanı olan kuantum mekaniğini içeren bir yüzyıldan fazla araştırmaya dayanıyor. Kuantum ışınlama yalnızca verileri kuantum bilgisayarlar arasında taşımakla kalmaz, aynı zamanda bunu kimsenin engelleyemediği bir şekilde yapar.

Innsbruck Üniversitesi Deneysel Fizik Enstitüsü’nde araştırmacı olan Tracy Eleanor Northup, “Bu, yalnızca kuantum bilgisayarın sorununuzu çözebileceği değil, aynı zamanda sorunun ne olduğunu bilmediği anlamına gelir” dedi. ayrıca kuantum ışınlanmayı da keşfediyor. “Bugün bu şekilde çalışmıyor. Google, sunucularında ne çalıştırdığınızı biliyor.”

Bir kuantum bilgisayar, çok küçük (bir elektron veya ışık parçacığı gibi) veya çok soğuk (neredeyse mutlak sıfıra veya eksi 460 derece Fahrenheit’e soğutulmuş egzotik bir metal gibi) bazı nesnelerin garip davranış biçimlerinden yararlanır. Bu durumlarda, tek bir nesne aynı anda iki ayrı nesne gibi davranabilir.

Geleneksel bilgisayarlar, her bitin 1 veya 0’a sahip olduğu bilgi “bitlerini” işleyerek hesaplamalar yapar. Kuantum mekaniğinin garip davranışından yararlanarak, bir kuantum biti veya kübit, 1 ve 0’ın bir kombinasyonunu depolayabilir – tıpkı dönen bir madeni paranın, sonunda masaya düştüğünde yazı veya tura gelmesi gibi baştan çıkarıcı bir olasılığı elinde tutmasına benzer.

Bu, iki kübitin aynı anda dört değeri tutabileceği, üç kübitin sekiz, dördünün 16 tutabileceği vb. anlamına gelir. Kübit sayısı arttıkça, bir kuantum bilgisayarı katlanarak daha güçlü hale gelir.

Araştırmacılar, bu cihazların bir gün yeni ilaçların oluşturulmasını hızlandırabileceğine, yapay zekadaki ilerlemeleri hızlandırabileceğine ve ulusal güvenlik için hayati önem taşıyan bilgisayarları koruyan şifrelemeyi özetle kırabileceğine inanıyor. Dünya genelinde hükümetler, akademik laboratuvarlar, yeni kurulan şirketler ve teknoloji devleri, teknolojiyi keşfetmek için milyarlarca dolar harcıyor.

2019’da Google, makinesinin bilim adamlarının “kuantum üstünlüğü” dediği şeye ulaştığını ve bu da geleneksel bilgisayarlarla imkansız olan deneysel bir görevi gerçekleştirebileceği anlamına geldiğini duyurdu. Ancak çoğu uzman, bir kuantum bilgisayarının başka bir makineyle yapamayacağınız yararlı bir şey yapabilmesi için – en azından – birkaç yılın daha geçeceğine inanıyor.

Zorluğun bir kısmı, bir kübitin kırılması veya ondan bilgi okursanız “koherinin çözülmesi” – yalnızca 0 veya 1 tutabilen, ancak ikisini birden tutamayan sıradan bir bit haline gelmesidir. Ancak bilim adamları, birçok kübiti bir araya getirerek ve uyumsuzluğa karşı korunma yolları geliştirerek hem güçlü hem de pratik makineler yapmayı umuyorlar.

Nihayetinde, ideal olarak, bunlar düğümler arasında bilgi gönderebilen ve her yerden kullanılmalarına izin veren ağlara birleştirilir, tıpkı Google ve Amazon gibi bulut bilişim hizmetlerinin günümüzde işlem gücünü geniş çapta erişilebilir kılması gibi.

Ancak bu, kendi sorunlarıyla birlikte gelir. Kısmen uyumsuzluk nedeniyle, kuantum bilgisi basitçe kopyalanamaz ve geleneksel bir ağ üzerinden gönderilemez. Kuantum ışınlama bir alternatif sunar.

Nesneleri bir yerden bir yere hareket ettiremese de, “dolanıklık” adı verilen kuantum özelliğinden yararlanarak bilgiyi taşıyabilir: Bir kuantum sisteminin durumundaki bir değişiklik, uzaktaki diğerinin durumunu anında etkiler. .

Dr. Northup, “Dolaşıklıktan sonra artık bu durumları tek tek tanımlayamazsınız” dedi. “Temelde, artık tek bir sistem.”

Bu dolaşık sistemler elektronlar, ışık parçacıkları veya diğer nesneler olabilir. Hollanda’da, Dr. Hanson ve ekibi nitrojen boşluk merkezi olarak adlandırılan şeyi kullandılar – sentetik bir elmasın içinde elektronların tutulabileceği küçük bir boş alan.

Ekip, Alice, Bob ve Charlie adlı bu kuantum sistemlerinden üçünü inşa etti ve bunları optik fiber şeritleriyle bir çizgide bağladı. Bilim adamları daha sonra, aralarına bireysel fotonlar – ışık parçacıkları – göndererek bu sistemleri karıştırabilirler.

İlk olarak, araştırmacılar iki elektronu dolaştırdılar – biri Alice’e, diğeri Bob’a. Gerçekte, elektronlara aynı spin verildi ve böylece ortak bir kuantum durumunda birleştirildi veya dolaştı, her biri aynı bilgiyi depoladı: 1 ve 0’ın belirli bir kombinasyonu.

Araştırmacılar daha sonra bu kuantum durumunu Bob’un sentetik elması içindeki başka bir kübite, bir karbon çekirdeğine aktarabildiler. Bunu yapmak Bob’un elektronunu serbest bıraktı ve araştırmacılar daha sonra onu Charlie’ye ait başka bir elektronla karıştırabildiler.

Araştırmacılar, Bob’un her iki kübitinde (elektron ve karbon çekirdeği) belirli bir kuantum işlemi gerçekleştirerek daha sonra iki dolaşıklığı birbirine yapıştırabildiler: Alice ve Bob, Bob ve Charlie’ye yapıştırıldı.

Sonuç: Alice, verilerin üç düğümün tamamında ışınlanmasına izin veren Charlie ile dolaştı.

Veriler, düğümler arasındaki mesafeyi katetmeden bu şekilde hareket ettiğinde, kaybolmaz. Dr. Hanson, “Bilgi, bağlantının bir tarafında beslenebilir ve ardından diğer tarafında görünebilir,” dedi.

Bilgiler de ele geçirilemez. Kuantum ışınlama tarafından desteklenen gelecekteki bir kuantum internet, teorik olarak kırılmaz olan yeni bir şifreleme türü sağlayabilir.

Yeni deneyde, ağ düğümleri o kadar uzakta değildi – sadece yaklaşık 60 fit. Ancak önceki deneyler, kuantum sistemlerinin daha uzun mesafelerde dolaşabileceğini göstermiştir.

Umut, birkaç yıl daha araştırmadan sonra kuantum ışınlamanın birçok mil boyunca uygulanabilir olmasıdır. Dr. Hanson, “Bunu şimdi laboratuvarın dışında yapmaya çalışıyoruz” dedi.