Yeni bir bilgisayar tasarlanırken, kuşkusuz en önemli noktaların başında mümkün olduğunca çabuk işlem yapması gelir. Kuantum bilgisayarlar söz konusu olduğundan mümkün olan en yüksek işlem hızının ne olabileceği netleşmemiş bir soruydu. National Institute of Standards and Technology (NIST) fizikçileri son çalışmaları ile bu hız sınırının kuramsal sınırlarını daralttı. Araştırmaya göre kuantum işlemciler, bir önceki çalışmanın öngördüğü kadar yüksek hızlara çıkamayacak.

Kuantum bilgisayarlar, veriyi parçacıkların kuantum durumlarında (örneğin spinlerinde) depolayacak. Bir kuantum işlemci, yakın çevresindeki uzayda bulunan çok sayıda parçacığı kapsayacak ve hesaplama verinin parçacıktan parçacığa aktarımı ile gerçekleşecek. Tıpkı bir mıknatısın diğerini etkilemesi gibi, bir parçacığın spini komşusununkini etkileyerek kuantum veri aktarımını mümkün kılacak; ancak en önemli soru bu etkinin ne hızda yayılacağı. Mühendislerin kuantum bilgisayar yapabilmesi için bunu bilmeleri gerekiyor.

Yüksek limit öngörüsünün deneysel kanıtı yok

Hız konusunda yapılan araştırmalar 1970'lerde başlamıştı. O yıllarda bilimciler, parçacığın sadece kapı komşuları ile doğrudan haberleşebildiği durumda bilginin ne hızda ilerleyebileceğine ilişkin bir limit keşfetmişlerdi. O zamandan bu yana, teknoloji bilimcilerin bir parçacığın daha uzaktakiler üzerinde doğrudan etki yapıp yapmayacağını araştırabileceği bir noktaya geldi. 2005'de bu düşünceyi kapsayan kuramsal çalışmalarda ise öngörülen hız limiti oldukça yüksek bir düzeye çekildi.

Physical Review Letters dergisinde yayımlanan araştırmanın ekip lideri Michael Foss-Feig, 2005'teki çalışmanın sonuçlarına karşın, sonraki on yıl boyunca bilginin o derece hızlı ilerleyebileceğine ilişkin bir kanıt görülemediğini belirtiyor. Ekip, yıllar içinde konu ile ilgili yapılan tüm araştırmaları incelediklerini, ancak önceki yıllarda yapılan hesaplamalarda bulunan sonuçların hepsinin 2005 sonuçlarından çok daha düşük olduğunu ekliyor. Bunun üzerine konuya yoğunlaştıklarını ve olası hız limiti için öngörülen değer aralığını daraltarak, biraz daha netleştirdiklerini anlatıyorlar. Araştırmacıların bulguları, 1970'lerde önerilen hız limitlerine çok daha yakın.

Logaritmik değil, üstel artış!

Kuantum dünyasının bu yönünü araştıran fizikçiler genellikle bir kaç parçacığı dizip, ilk parçacığın spinindeki değişimin, sıranın sonundakine ne kadar süre sonra etki ettiğine bakar. Domino taşlarını dizip ilk hareketin sonuncuyu ne zaman devireceğine bakmak gibi. NIST ekibinin vardığı sonuç, kuantum sistemleri boyunca dolaşıklığın yayılma hızı ile ilgili. Dolaşıklık (iki uzak parçacık arasındaki tuhaf kuantum bilgi bağlantısı) çok önemli, çünkü parçacıklar birbirleri ile ne kadar çabuk dolaşıklaşırsa, bilgiyi o kadar çabuk paylaşırlar.

2005'de elde edilen sonuçlara göre, sistem genişlerken etkileşim gücü uzaklıkla hemen azalsa da, dolaşıklığın sisteme yayılması için gereken sürenin boyutla sadece logaritmik olarak arttığı yönündeydi; yani sistem çok hızlı biçimde dolaşıklaşacaktı. Foss-Feig ve arkadaşlarının çalışması ise dolaşıklığın yayılma süresinin sistem boyutu ile üstel olarak arttığını gösteriyor. Bu da kuantum bilgisayarların, normal bilgisayarlar için aşırı karmaşık olan problemleri çözme yetenekleri olsa da, bunu o kadar da hızlı yapmayacakları anlamına geliyor.

Kuantum bilgisayarların çok geniş bir tasarım yelpazesine sahip olacağı ve günümüz bilgisayarlarından çok daha kolayca problem çözebileceğini biliyoruz. Her ne kadar yeni bulgular bu henüz yapılmamış bilgisayarlarda bilgi aktarımının ulaşabileceği hız limitini kesin olarak veremese de, olası hız aralığını biraz daha daraltıyor.

"Aralığı ne kadar daraltırsak o kadar iyi, çünkü böylece kuantum bilgisayarlardan beklentimizi daha gerçekçi tutabiliriz," diyor Foss-Feig. "Öte yandan bulgular bize dolaşıklığın nasıl işlediği ile ilgili olarak da önemli şeyler söylüyor. Bu da kuantum sistemlerini nasıl daha verimli olacak biçimde modelleyebileceğimizi anlamamıza yardım edebilir."

---

Kaynak: M. Foss-Feig, Z.-X. Gong, C.W. Clark and A.V. Gorshkov. "Nearly linear light cones in long-range interacting quantum systems". Phys. Rev. Letters, April 13, 2015.

---