2 Haziran 2021 tarihinde, ICFO (İspanya Fotonik Bilimler Enstitüsü) araştırmacıları, ilk kez, farklı laboratuvarlarda yer alan ve aralarında 10 metre mesafe bulunan ve telekomünikasyon dalga boyunda bir foton tarafından yayınlanan iki çok modlu kuantum belleğin birbirine dolanıklığını başardıklarını bildirdiler.

Bilim adamları, fiber haberleşme şebekesine entegre edilebilecek bir sistemde dolanıklılık oranında rekora ulaşmalarını sağlayan özel bir teknik uygulamışlar ve böylece uzun mesafeler için operasyonların önünü açmışlardır. Bu sonuçlar, kuantum iletişimi için bir dönüm noktası ve gelecekteki kuantum internet için kuantum repetörlerin geliştirilmesinde önemli bir adım olarak kabul ediliyor.

90’lı yıllar boyunca, mühendisler şebekeyi şehirler ve metropolitan alanların ötesine götürmek için telekom sahnesinde önemli ilerlemeler kaydettiler. Bu genişlemeyi başarmak için, zayıflayan sinyalleri güçlendiren ve bunların yoğunluk ya da aslına uygunluk gibi aynı özelliklerle daha uzak mesafelere erişmelerine izin veren repetörler kullanıldı. Şimdi uydu sistemlerinin de dahil olmasıyla, dünyanın neredeyse her yerinde haberleşme imkanları sunulmaktadır.

Geleceğin kuantum internetini oluşturmak için, kuantum bellekleri de aynı rolü oynamaktadır. Kübit kaynakları ile birlikte kuantum bellekleri, veri işlemlerinin kuantum repetörleri gibi davranarak ve sistemin temel bileşenleri olarak süperpozisyon ve dolanıklığı kullanan yeni internetin yapı taşlarıdır. Ancak böyle bir sistemin kuantum düzeyinde çalıştırılması için, kuantum bellekler arasındaki dolanıklığın uzun mesafelerde yaratılması ve mümkün olduğunca verimli bir şekilde sürdürülmesi gerekmektedir. ICFO’da yapılan testte, araştırmacılar basit bir deyişle, 10 m arayla yerleştirilmiş iki kuantum bellekte tek bir fotonu maksimum 25 mikrosaniye boyunca depolayabildiler.

Bilim adamları monitörde dedektöre gelen boşta duran bir fotonun her tıklamasını gördüklerinde, gerçekte dolanıklık olduğunu onaylayabildiler ve doğrulayabildiler. Bu dolanıklık, 25 mikro saniyeye kadar on milyonlarca atom tarafından paylaşılan bir uyarım olarak depolandığı iki kuantum hafızası arasında bir süperpozisyon durumundaki bir sinyal fotonundan oluşuyordu. "Deneyle ilgili merak uyandıran şey, fotonun laboratuvar 1'deki kuantum belleğinde mi yoksa 10 metreden daha uzaktaki Laboratuvar 2'de mi saklandığını bilmenin mümkün olmamasıydı. Bu, deneyin ana özelliği ve beklenilen bir şey olmasına rağmen, laboratuvardaki sonuçlar hala sezgilere aykırıydı ve daha tuhaf ve akıllara durgunluk veren ise, araştırmacıların onu kontrol etme imkanına sahip olabilmesiydi.

Haberci fotonların önemi

Dolanıklık ve kuantum belleklerle denenmiş olan önceki çalışmaların çoğunda, kuantum bellekler arasındaki dolanıklığın başarılı olup olmadığını bilmek için haberci fotonları kullanılmıştır. Haberci bir foton, bir mesaj güvercini gibidir ve bilim adamları, bu foton beklenilen yere ulaştığında kuantum bellekleri arasındaki dolanıklık kurulduğunu bilmekteydiler. Bu gerçekleştiğinde dolanıklık girişimi durmakta ve dolanıklık analiz edilmeden önce belleklerde saklanmaktadır.

Bu deneyde, bilim adamları telekom frekansında haberci bir foton kullanmışlar ve oluşturulan dolanıklığın mevcut telekom şebekeleriyle uyumlu bir fotonla kurulabileceğini doğrulamışlardır. Bu önemli bir başarı olarak kabul edilmektedir, çünkü böylece uzak mesafelerde dolanıklığın yaratılması imkânı sağlanmış ve dahası, kuantum teknolojilerinin mevcut klasik şebeke altyapılarına kolayca entegre edilmesi olanağı doğmuştur.

Çoklama’nın (Multiplexing) önemi

Çoklama tek bir transmisyon kanalı aracılılığı ile aynı anda bir çok mesajı iletmeye yarayan bir sistem yeteneğidir. Klasik haberleşmede, bu, internet üzerinden veri iletmek için sık kullanılan bir yöntemdir. Kuantum repetörlerinde, bu teknik oldukca karmaşıktır. Standart kuantum belleklerinde dolanıklığı yeniden yaratmayı denemeden önce, dolanıklığın habercisi olan mesajın belleklere geri dönmesini beklemek gerekir. Ancak, bu çoklama yaklaşımına izin veren atomik frekans tarama protokolünün kullanılmasıyla, araştırmacılar, bir sonraki dolanık çifti oluşturmadan önce başarılı bir haberci olayı beklemek zorunda kalmadan, dolanık fotonları kuantum belleğinde birçok farklı zamanda depolayabildiler .

Sonraki adımlar

ICFO’nun yaptığı çalışmalarla ilgili fikir on yıl önce planlanmış ve şimdi yani 10 yıllık bir çalışma sonucunda başarı elde edilmiştir. “İşte sevgili okurlar Ar-Ge çalışmaları böyle uzun ve çok zahmetli bir süreci kapsamaktadır, ancak nihayetinde elde edilen sonuçlar çok daha uzun yıllar boyu o ülkeye ekonomik katkı ve bilimsel tanınmışlık sağlamaktadır.” Bilim adamları daha sonraki adımlarda, deneyi laboratuvarın dışına çıkarmak, farklı düğümleri birbirine bağlamayı denemek ve şu anda sahip olduklarından çok daha büyük mesafelere dolanıklığı dağıtmayı planladıklarını belirtmişlerdir. Aslında, bu çalışmanın İspanya’da Barcelona ile CastelldefeIs’de bulunan CFO arasında 35 km'lik bir mesafede gerçekleştirmesi düşünülmektedir.

Yakın gelecekte yeni nesil kuantum şebekesinin birçok uygulamayı beraberinde getireceği açıktır. Elde edilen başarılar, bu yıkıcı teknolojileri geliştirmeyi ve bunları ilerde yeni bir iletişim yolu olacak Kuantum İnternet'te uygulamaya başlama açısından bilim adamlarının doğru yolda olduğunu gösteriyor ve kanıtlıyor.

Dolanık-tabanlı kuantum şebekesi

Bu yılın Nisan ayında (Nisan 15, 2021) Hollanda’da QuTech (QuTech, 2014 yılında Delft Teknoloji Üniversitesi (TU Delft) ve Hollanda Uygulamalı Bilimsel Araştırma Örgütü (TNO) arasında iş birliği ile kurulmuş bir Kuantum Teknoloji Araştırma Enstitüsüdür) araştırmacılarının bir ekibi, üç kuantum işlemcisini bağlayarak, ilk çok-nodlu kuantum şebekesini gerçekleştirdiklerini raporlamışlar. Ayrıca, ekip temel kuantum şebeke protokollerinin sunum ilkesini de kanıtlamayı başarmıştır. Gelecekteki kuantum internet için önemli bir kilometre taşını işaret eden bu çalışmalar dünyanın en prestijli bilimsel dergilerinden biri olan Science Dergisinde yayınlanmış.

Kuantum internet

İnternetin gücü, dünyadaki herhangi iki bilgisayarın birbirine bağlanmasına izin vererek, onlarca yıl önce yaratıldığı sırada hayal bile edilemeyen uygulamaları mümkün kılmasından kaynaklanmaktadır. Bugün, dünyanın dört bir yanındaki birçok laboratuvardaki araştırmacılar, kuantum bilgisayarlar veya sensörler gibi herhangi iki kuantum cihazını büyük mesafelerde bağlayabilen bir şebeke olan kuantum internetin ilk sürümleri üzerinde çalışıyorlar. Bugünün İnterneti bilgiyi bitler halinde dağıtırken (0 veya 1 olabilir), gelecekteki bir kuantum internet, aynı anda 0 ve 1 olabilen kuantum bitlerinden (kübit’lerden) yararlanacaktır. Doktora öğrencisi ve yukarıda bahsettiğim araştırma ekibinin bir üyesi olan Matteo Pompili, “Kuantum internet, hacklenemez iletişim ve tam kullanıcı gizliliğine sahip bulut bilişimden yüksek hassasiyetli zamanlamaya kadar bir dizi yeni uygulamanın önünü açacak” diyor, ve devam ediyor “40 yıl önceki İnternet'te olduğu gibi, muhtemelen şu anda öngöremediğimiz daha pek çok uygulama olacak.”

Her yerde bağlantıya doğru

Kuantum internete doğru ilk adımlar son 10 yılda doğrudan fiziksel bir linki paylaşan iki kuantum cihazının bağlanmasıyla atılmıştır. Bununla birlikte, kuantum bilgilerini ara düğümler (klasik internetteki yönlendiricilere benzer) aracılığıyla iletebilmek, ölçeklenebilir bir kuantum şebekesini oluşturmak için çok önemlidir. Ek olarak, umut vadeden birçok kuantum internet uygulaması, birden çok düğüm arasında dağıtılmak üzere dolanık kuantum bitlerine güvenir. Dolanıklık, kuantum ölçeğinde gözlemlenen, temelde parçacıkları kısa ve hatta uzun mesafelerde birbirine bağlayan bir olgudur. Kuantum bilgisayarlarına muazzam hesaplama gücünü sağlar ve gelecekteki kuantum internet üzerinden kuantum bilgilerini paylaşmak için temel kaynaktır.

Bu arada kuantum haberleşmesinde önemli bir rol üstlenecek olan kuantum bilişim ve bilgisayarları konusunda Asya-Pasifik Bölgesinde (APAC) neler olduğuna bir göz atmanın da yararlı olacağını düşünüyorum.

Kuantum bilgisayarları, karmaşık bilgileri akıllara durgunluk veren bir hızda işleyebilir ve sonunda günümüzün en güçlü geleneksel bilgisayarlarından bile çok daha iyi performans gösterebilirler. Dünyanın çoğu yerinde bu teknoloji hala kısıtlı olsa da Asya Pasifik (APAC) bölgesinde kuantum hesaplama araştırmalarının ve bu konudaki çalışmaların arttığı görülüyor.

Çin, problemleri dünyanın en güçlü bazı süper bilgisayarlarından daha hızlı çözebileceğini iddia ettiği ve ismi Zuchongzhi (Çinli bir gökbilimci, matematikçi, politikacı, mucit ve yazar) olan ve 66 kübitten oluşan kuantum işlemcisine sahip süper bilgisayar üzerinde gece gündüz çalışıyor.

Hindistan da, bu yılın başlarında ilk kuantum bilgisayarı yarattığını açıkladıktan sonra kuantum bilişim yarışına katılıyor. Hindistan'ın Bilim ve Teknoloji Departmanı kısa süre önce Hindistan'da kuantum bilgisayarları oluşturmak üzere bir zemin hazırlamak için Kuantum-Etkin Bilim ve Teknoloji (QuEST) programını başlattı.

Daha önceki yazılarımda da belirtmiş olduğum gibi Google, IBM ve Microsoft gibi büyük teknoloji şirketleri, kuantum bilgisayarları konusunda şimdiden önemli kilometre taşlarına ulaştı. Bugün IBM ve AWS (Amazon Web Service), kuruluşlar için kuantum kullanım senaryoları üzerinde deney yapmak isteyen işletmelere hizmet olarak (QcaaS) kuantum bilgi sayarları da sunuyor.

Japonya’da Kuantum Bilişim

Geçen Temmuz ayında Japonya'da IBM ve Tokyo Üniversitesi, ülkenin kuantum bilimi, işletme ve eğitim alanındaki keşiflerini ilerletmek için devam eden işbirliklerinin bir parçası olarak ülkenin en güçlü kuantum bilgisayarını tanıttı.

IBM Quantum System One, araştırmacılara yüksek kaliteli kübitler ve yüksek hassasiyetli kontrol elektroniklerinden tekrarlanabilir ve öngörülebilir performansa erişim imkanı sağlamakta. Klasik işlem süreciyle birleştirilmiş kuantum kaynakları, kullanıcıların bulutta kuantum devrelerinin tekrarını gerektiren algoritmaları güvenli bir şekilde çalıştırmasını mümkün kılmakta. Tokyo Üniversitesi Rektörü Teruo Fujii'ye göre, üniversite geniş bir araştırma imkanına sahip ve her zaman en üst düzey kuantum eğitimini de teşvik etmekteymiş (ne diyelim darısı ülkemizdeki üniversitelerin başına).

Üniversite Rektörü Teruo, “hızla değişen kuantum teknolojisi alanında, yalnızca kuantum teknolojisiyle ilgili unsurları ve sistemleri geliştirmek değil, aynı zamanda küresel ölçekte gelişmiş sosyal uygulamalara ulaşmak için yeni nesil insan kaynaklarını teşvik etmek de son derece önemlidir” demiş.

2020'de üniversite ve IBM, ülkenin üniversitelerinden ve önde gelen araştırma derneklerinden ve büyük ölçekli endüstriden akademik yetenekleri bir araya getirerek Japonya'daki kuantum bilişim araştırma ve geliştirme faaliyetlerini stratejik olarak hızlandırmayı amaçlayan “Kuantum İnovasyon Girişimi Konsorsiyumu'nu” başlatmış.

IBM’in ABD dışında Quantum System One adlı 27 kübit’lik ikinci kuantum bilgisayarı dünyanın tanınmış araştırma kuruluşu olan Fraunhofer iş birliği ile 15 Temmuz’da Almanya’da kullanıma açıldı. Bu kuantum bilgisarayı şu anda Avrupa'nın herhangi bir yerindeki en güçlü sistemdir.

Q System One bilgisayarın fotoğrafı aşağıda verilmiştir (Şekil 1).

Diğer farklı kuantum bilgisayar resimleri Şekil 2 ve Şekil 3 görülmektedir.

 

Bu bölgede diğer bir çalışma ise Avustralya’da yürütülmektedir. Avustralya merkezli Silicon Quantum Computing, 2030 yılına kadar hata düzeltmeyi içeren 100 kübit kuantum işlemciye dayalı programlanabilir bir cihaz sunmak için çalışıyor. Şirketin kısa vadede hedefi ise (2023) 10 kübitlik bilgisayar yapmak.

Güneydoğu Asya'da, Singapur Ulusal Üniversitesi (NUS), önemli ve büyük problemleri çözmek ve kuantum bilimcileri eğitmek üzere teknolojiyi kullanmanın yollarını bulmak için IBM ile de işbirliği yapıyor.

IBM ve NUS arasındaki geçen yıl duyurulan işbirliği, bölgede türünün ilk örneği. NUS araştırmacıları, bir bulut hizmeti aracılığıyla IBM'in güçlü kuantum hesaplama sistemlerinden 15'ine erişebilecek.

Kuantum bilgisayar kullanım örneklerinin daha fazla kuruluş tarafından benimsendiğini tam olarak görmemiz biraz zaman alabilir, ancak teknoloji yavaşlamıyor. Bu alanda daha fazla araştırma ve geliştirme ile kuantum bilgisayarların ana akım haline gelmesi sadece bir zaman meselesidir. Bizlerin bu husustaki en büyük dileği ise bahse konu çalışmaların ve araştırmaların bir an önce ülkemizde de başlatılması olacaktır.