Bilgisayarlar ve sensörler gibi kuantum tabanlı cihazlar, birçok karmaşık görevi yerine getirmek için geleneksel dijital teknolojilerden çok daha iyi performans gösterebiliyor. Ancak bu tür cihazların pratikte geliştirilmesi, teknoloji şirketlerinin yanı sıra akademik ve devlet birimlerinin yaptığı büyük yatırımlara rağmen zorlu bir sorun oluyor.
Günümüzün en büyük kuantum bilgisayarları hala dijital bitlerin kuantum eşdeğerleri olan sadece birkaç yüz “kübite” sahip. Şimdi, mühendisler, kübit yapmak ve onları veri okuyup yazmak üzere kontrol etmek için yeni bir yaklaşım önerdiler. Bu aşamada teorik olan yöntem, biraz farklı renklerdeki iki lazerden gelen ışık demetlerini kullanarak atom çekirdeklerinin spinlerini ölçmeye ve kontrol etmeye dayanıyor. Araştırmacılar, lazerleri kullanarak, kuantum bilgisini kodlayabilen, spin adı verilen bir çekirdeğin özelliğini doğrudan kontrol edebilirler.
Nükleer spinler ve elektromanyetik radyasyonun ayrı paketleri veya “kuanta” olan temel parçacıklar olan fotonlar, uzun zamandır kuantum tabanlı bilgi işleme ve iletişim sistemleri için potansiyel yapı taşları olarak kabul ediliyor. Ancak bu iki kuantum nesnesi üzerinde birlikte çalışmak zor, çünkü atom çekirdekleri ve fotonlar neredeyse hiç etkileşime girmiyor ve doğal frekansları altı ila dokuz büyüklük sırasına göre farklılık gösteriyor.
Araştırmacılar tarafından geliştirilen yeni süreçte, gelen bir lazer ışınının frekansındaki fark, nükleer spinin geçiş frekanslarıyla eşleşerek nükleer spini belirli bir yöne çevirmeye itiyor. Nükleer spinleri lazerlerden gelen optik fotonlarla birleştirmenin yeni ve güçlü bir yolunu bulan mühendisler, bu yeni bağlantı mekanizmasının nükleer spinlerin kübit olarak kullanılmasını mümkün kıldığını söylüyor.
Ekip, sürecin tamamen ayarlanabilir olduğunu söylüyor. Örneğin, lazerlerden biri mevcut telekom sistemlerinin frekanslarıyla eşleşecek şekilde ayarlanabilir, böylece nükleer dönüşler uzun mesafeli kuantum iletişimi sağlamak için kuantum tekrarlayıcılara dönüştürülebilir.
Nükleer spinleri etkilemek için ışığı kullanmaya yönelik önceki girişimler dolaylıydı, bunun yerine çekirdeği çevreleyen elektron spinlerine bağlanıyordu. Bu da çekirdeği manyetik etkileşimler yoluyla etkileyecekti. Ancak bu, yakınlarda eşleşmemiş elektron spinlerinin varlığını gerektiriyor ve nükleer spinler üzerinde ek gürültüye yol açıyordu. Yeni yaklaşım için araştırmacılar, birçok çekirdeğin elektrik kuadrupole sahip olduğu gerçeğinden yararlandılar ve bu da çevre ile elektrik nükleer kuadrupolar etkileşime yol açtı. Bu etkileşim, çekirdeğin kendi durumunu değiştirmek için ışıktan etkilenebilir.
Benzer fiziğe dayanan köklü bir yöntem olan Raman spektroskopisi malzemenin kimyasını ve yapısını tanımlayabilse de izotopları tanımlayamazken, bu durum diğer şeylerin yanı sıra malzemelerin izotoplarının kesin olarak tanımlanmasına ve hatta haritalanmasına olanak sağlayabilir. Araştırmacılar, bu yeteneğin birçok uygulama alanı olabileceğini söylüyor.
Kuantum belleğe gelince, şu anda kuantum hesaplama için kullanılan veya düşünülen tipik cihazlar, saniyenin küçük kesirlerinde ölçülme eğiliminde olan tutarlılık sürelerine sahiptir. Ancak nükleer spin sisteminde kuantum tutarlılık süreleri saatlerle ölçülüyor.
Ekip, optik fotonlar fiber optik ağlar aracılığıyla uzun mesafeli iletişim için kullanıldığından, bu fotonları doğrudan kuantum bellek veya algılama cihazlarına bağlama yeteneğinin yeni iletişim sistemlerinde önemli faydalar sağlayabileceğini söylüyor. Ayrıca bu etki, bir dalga boyu kümesini diğerine çevirmenin etkili bir yolunu sağlamak için de kullanılabilir. Öyle ki araştırmacılar, mikrodalga fotonların ve optik fotonların iletimi için nükleer spinleri kullanmayı düşündüklerini ve bunun, bu tür bir çeviri için diğer yöntemlerden daha fazla doğruluk sağlayabileceğini ekliyor.
Bu çalışma, kuantum kontrol ve kuantum bellek dahil olmak üzere kuantum teknolojilerinde yeni fırsatlar sunuyor. Kuantum bilimi ve nükleer teknoloji alanında pek çok araştırmacının ilgisini çeken bu tekniğin, deneysel olarak gerçekleştirilmesi bekleniyor.