Melez Bilgisayarlar Geleceği Kurtaracak

Elektron spinini kullanarak işleyen mikroelektronik aygıtlar, hızla gelişen milyarlarca dolarlık bir endüstri yaratıyor Ve kuvantum mikroçiplerinin geliştirilmesine yol açacak gibi görünüyor




Bilgisayar dünyasında yirmi yıl önce öngörülen bir olgu hâlâ geçerli: Merkezi işlem birimlerinin gücü her yıl iki katına çıkıyor Daha hızlı çalışan mikroçipler (mini yongalar) küçüldükçe, silikon tabakalarına işlenen iletken hatlara ayrılan yer daralıyor Birkaç yılda, sıradan teknoloji küçültme sınırına dayanacak Zaten, devreler, birbirine santimetrenin binde birinden yakın iletkenlerle tıkış tepiş dolu

Yarıiletkenler bitiştikçe, bunları besleyen elektrik akımını oluşturan elektronların, bir nakil hattından diğerine atlama olasılığı yükseliyor: Elektromanyetik alanlara duyarlı olan elektronlar, alandan alana geçiş yapıyor ve kendilerinin yol açtığı elektrik yükünden etkileniyorlar Ayrıca, kuvantum fiziğinin belirlenemezlik ilkesi, bir atomaltı parçacığın konumu ve hızının, gözlemci tarafından, aynı anda, kesin olarak belirlenmesini önlüyor Ani konum ve hız değişikliklerine tabi elektronlar, parazit yapabiliyor Mikroçiplerde gezinen elektrik akımlarının karışması, bilgiyi yok ediyor (bilgisayarlar, verileri elektrik yüküyle temsil ediyor)

Kuvantum bilgisayar nasıl işliyor?
Bilgisayar bilimciler, küçültme sorununa çeyrek asırdır çözüm bulmaya çalışıyorlar Bu alanda ilk desteği, atom ve kuvantum fiziğiyle uğraşan bilim insanları vermişlerdi On üç yıl önce ise, birinci öneriyi hayata geçirecek adım atıldı: kuvantum bilgisayarlar

Kuvantum bilgisayarlar, ışığı oluşturan fotonların bilgi depolamak ve işlemek için kullanılmasıyla işliyor Matematiksel olarak, bir foton diğerinden salt niceliksel ölçülerle ayrılıyor (atomaltı düzeyde, nicelikler nitelikleri meydana getiriyor) Sonuçta, başlangıç koşulları eşitlenen iki foton, tek bir cisim gibi davranıyor (doğa, iki eş foton arasında, bunların iki tane olması dışında bir ayrım gözetmiyor) Başlangıç koşulları, fotonların başlangıçtaki ortalama hızı, konumu ve açısal momenti Birine yüklenen açısal momentin temsil ettiği bilgi, diğerine, iki fotonun uzaklığı ne olursa olsun, aynen aktarılıyor (fotonların dolaşıklığı) Einstein'ın görelilik kuramı, hiçbir cismin ışık hızından hızlı gitmediğini ortaya koyduğundan, bu tuhaf bir durum "Foton dolaşıklığı bilgisi", bir tek an süren gerçek zaman bile geçmeden, "kardeş fotonları" birbirine bağlıyor Kuvantum bilgisayarların bu uzaktan etkiden yararlanması, teorik bir hız limiti olmadan işlem yapmak anlamına geliyor Üstelik, pek çok foton çiftinin yaratılması, kuvantum devrelerinin birden çok bilgi birimini karşılaştırmasını sağlıyor





Kuvantum yokuşa sürüyor
Kuvantum bilgisayarlar, henüz vaat edilen düzeyi yakalayamadı Gecikmenin nedeniyse uygulayımsal sınırlamalar:

Bir foton çiftinin dolaşık hale gelmesi için, çevreden yalıtılması gerekiyor Bizzat, kuvantum fiziğinin belirlenemezlik ilkesi bunu güçleştiriyor Burada açıklamayacağımız ayna görüntülü foton yalıtma yöntemi de pahalı ve zor bir seçenek
Matematiksel ve uzamsal olarak çok boyutta işleyen kuvantum bilgisayarların yer kaplaması ayrı bir problem: Aynalar, prizmalar, ışın demetleri, lazer ışını kaynaklarının incelikle ayarlanması gerekiyor Örneğin lazer ışını, argon gazıyla işleyen pahalı düzenekler gerektiriyor

Yokuş aşağı, ama yavaş yavaş
Elektronik bilgi-işlem teknolojisi sınıra varmak üzere İş dünyasının bilgiye çabuk erişme talebi artıyor Elimizde, daha hızlı bilgisayarlar yapacak ucuz bir alternatif yok
Yine de endişelenmeyin! Görkemli bilgisayar oyunları, cicili bicili internet sayfaları ve gelişkin medya ortamlarını destekleyecek geleceğin bilgisayarları kapıda! Kuvantum teknolojisi ucuzlayıp yaygınlaşana kadar, boşluğu melez tasarımlar dolduracak: Spintronik bilgisayarlar Spintronik, elektroniğin kuvantum dünyasıyla birleştirilmesi demek Spin elektroniğinin kısaltması olan bu terimi, "fırıldayan elektronların teknolojisi" olarak da tanımlayabiliriz
Kuvantum bilgisayarların fotonlarla işlediğini söylemiştik Fotonlar atomlardan küçük parçacıklar, ama gerçek anlamıyla atomaltı parçacıklar değil (bir atomu oluşturan parçalar arasında yer almıyorlar) Atomu meydana getiren parçacıklardan biri elektronlar Elektronlar negatif elektrik yükü taşıyor ve bütün atomaltı parçacıklar gibi, kuvantum fiziğine tabi
Elektronları belirleyen matematik özellikler (değerler), konum, hız ve spin (fırıl) Bizi ilgilendiren daha çok spin özelliği
Kendi çevresinde fırıl fırıl dönen elektronları, spin atan yarış arabalarına benzetebiliriz Ancak, yoldan çıkan arabalar çeşitli hızlarda çeşitli yönlere dönebilirken, elektronlar bazı sınırlamalara uymak zorunda: Heisenberg'in belirlenemezlik ilkesini yeniden tanımlayan Wolfgang Pauli'nin gösterdiği üzere, elektronlar, iki spin durumundan birinde ya da ikisinde birden bulunabiliyorlar Bunlar yukarı ve aşağı spin durumları ki, tam da bu iki değerlilik yüzünden, bilgisayar dünyasında çok önemli






Spintronik ve bilginin kaydedilmesi
Bilgisayarlar bit denilen bilgi birimlerini işliyor Bunları bir soruya verilen kesin "evet" ya da "hayır" cevapları olarak nitelendirilebiliriz Elektronlar, spin yukarı ya da spin aşağı konumlarında bulunabildiği için; bir spin konumu "evet", diğeri ise "hayır" yanıtıyla eşleştirilebiliyor (örneğin ikilik sayı düzeni kullanan bir algoritmada 0 ve 1) Bu durumların hangisinin evet, hangisinin hayırla eşleneceği ise keyfi bir seçim

Bilgisayarlar elektrik akımlarıyla beslenen elektronik devrelerden meydana geldiğinden, spintronik kısmen klasik bir teknoloji Atomaltı parçacıkların spin dolaşıklığını değerlendirdiği için de yeni teknoloji Oysa, spintroniğin gerçek avantajı, yeniliği geleneksel ortamla kaynaştırması

Akraba evliliği
Elektromanyetizma, elektronların hem elektrik yükü taşıması hem de manyetik alanlar yaratması ve ikisinden birden etkilenmesini belirtiyor Klasik bilgisayarlar, elektronları, pozitif-negatif elektrik yükü arasındaki gerilim farkıyla yönlendirerek veri işliyorlar (voltaj) Spintronik bilgisayarlar da sisteme elektrik yüklüyor; ama, elektronları manyetik alanlarla yönlendiriyor ve manyetizma sayesinde, spin duruma bilgi depoluyor Elektromanyetik alanlar, yine, yarıiletken devrelerle yaratılıyor RAM (Rasgele Erişimli Bellek), sabit disk gibi temel öğeleri değiştirmediğinden, spintronik bilgisayarlar ekonomik bir çözüm

Spintroniğin manyetizma bileşeni, bilgisayar dünyasında ne zamandır kullanılıyor Bilgi, İngilizce floppy disk denilen, 3,5 inçlik disket ve sabit sürücülere, manyetik olarak kaydediliyor Modern dizüstü bilgisayarlar, milimetrekareye çok miktarda bilgi depolayan yüksek sıkıştırmalı sabit sürücülerle donatılıyor Bu sürücüler, tıkız bilgiyi okumak için, yüksek manyetik dirençten (GMT) yararlanıyor Öyleyse, spintroniği devrimsel değil, evrimsel bir teknoloji olarak sınıflandırabiliriz






Havada uçuşan fikirler
Daha karmaşık spintronik teknolojileri de sırada Birkaç yıl içinde, Manyetik Rasgele Erişimli Bellekler (MRAM), RAM'lerin yerini alacak: RAM, yalnızca elektrik verildiğinde işleyen bir hafıza Sabit diskin tersine, RAM belleği, bilgisayar tarafından sürekli tazeleniyor ve sistem kapatıldığında kalıcı hafızaya kaydedilmiyor (geçici bellek siliniyor)

MRAM'lerin ise, elektrik kesildikten sonra da bilgiyi koruması amaçlanıyor MRAM'ler, bilgiyi, yarıiletkenlerde manyetik olarak depolayacak Bundan başka, açma-kapama hızı ve yeniden yazılabilirlik açısından (bilginin yenilenmesi), geleneksel RAM'lerden daha süratli olacak Günümüz MRAM'leri ile okuma kafaları (işlevsel olarak birer pikap iğnesi), demirli manyetik metal alaşımlardan yapılıyor

Spintronik klasik uygulayım bilgisiyle birleştirildiğinde, veriyi, elektronik ve manyeto-optik olarak işleyen devreler üretilecek Manyeto-optik sistemler 90'lı yıllarda moda olan, taşınabilir ZIP sürücülerinde kullanılmıştı Nitekim, manyetik değerleri okuyan sabit sürücü kafaları, bilgisayarların ayrılmaz parçası

Sırada, çok hızlı açılıp kapanan anahtarlar ve tamamen programlanabilen, spintronik bilgisayar beyinleri (merkezi işlem birimleri: CPU) var Günümüzde, CPU'lar donanım olarak programlanıyor Mikroçiplerinin veriyi nasıl işleyeceği, CPU'ların şekli ve yarıiletken hatların ağ yapısıyla sınırlı Manyetik CPU'lar ise, devrelerin biçimi ve yarıiletken hatların örüntüsünden kısmen bağımsız olarak, manyetik alanlarla yüklenip programlanabilecek
Spintroniğin hayata geçirilmesi için ucuzlaması, yani kullanışlı bir teknolojinin geliştirilmesi gerek: Demirli manyetik öğelerle yarıiletken devreleri birleştirebilir miyiz? Bu tümleşik devreleri oda sıcaklığında çalıştırabilir miyiz? Spin kutuplu akımları, yani spin akısını, yarıiletkenlere vermenin kolay bir yolu var mı? (Spin kutuplamak, bilgiyi spin durumlarına kaydetmek demek) Farklı yarıiletkenlere nakledilmek üzere, devrenin kenarına yollanan spin akısına ne olur? Yarıiletkenlere aktarılmış spin akısı (bilgi) ne kadar süre bozulmadan dayanır?
Şimdiye kadar, manyetik alanları ve kuvantum dolaşıklığını kullanarak eş spinli elektronları, gruplar halinde örgütlemekten söz ettik Nispeten uzak geleceğe ait bir başka teknoloji ise, tek tek elektronları etkilemek Bilgi depolamak için, elektron grupları yerine tekil elektronlardan faydalanırsak, daha çok bilgi işleyebiliriz

Büyük ölçekli kuvantum bilgisayarlarının imal edilmesini sağlayacak spintronik, kuvantum mantık kapılarına ihtiyaç gösteriyor Manyetik olarak belirlenen yukarı-aşağı spin durumlarına göre açılıp kapanan devre anahtarları tasarlamalıyız "Spintromanyetik" bilgisayarlar, klasik ve hatta spintronik bilgisayarları aşacaktır Ancak, farklı teknolojiler bir potada eritilmek zorunda: Manyetik tuzaklara yakalanan iyonlar (negatif elektrik yüklü atomlar; çünkü spintronik, atomların pozitif yüklü öğesi olan protonlarla değil, elektronlarla işliyor), "donmuş ışık", çok soğuk kuvantum gazlar, bu yeni teknolojinin belirleyici öğeleri Donmuş ışık, ışığı meydana getiren fotonların çiftler halinde kuvantum dolaşıklığına sokulması anlamına geliyor Çok soğuk gazlar ise, dolaşık atom çiftlerinin yaratılması amacıyla, atomların çok soğutularak çevresel etkilerden arındırılması demek Burada zor olan, dolaşık atom çiftlerini birbirinden de uzak tutmak (yoksa parazit yaparlar) Biz, Bose-Einstein yoğuşması denen, çok soğuk olduğu için pek az titreşen; ama birbirinden uzak olsun diye, gaz halinde tutulan atomlara ihtiyaç duyuyoruz Doğrusu, kutuya kapatılmış ünlü kuvantum kedisini öldürmenin (tanınmış kuvantum fizikçisi Schrödinger'in düşünce deneyinin kahramanı) çeşitli yolları mevcut

Spintronik, er ya da geç, kuvantum bilgisayarlarla yarıiletken bilgisayarlar arasında bir köprü kuracaktır





Spintroniğin fiziği
Hızla dönen küçük bir elektrik yüklü küre düşünün Kürede dolaşan yük, elektrik akımında minik atlamalar meydana getiriyor Bu da, Dünya'nın manyetik alanına benzeyen bir manyetik alan oluşturuyor Bilim insanları, kürenin dönüşünü (rotasyon), vektör denilen bir yön okuyla gösteriyorlar Vektör, kürenin kendi çevresinde dönme yönünü işaret ediyor Şimdi, dönen küreyi dışarlak bir manyetik alana sokalım Yuvarın spin vektörünün manyetik alana göre alabileceği iki farklı yönelim, kürenin toplam enerjisini de belirleyecektir

Elektronu, böyle dönen bir elektrik yüklü küreye benzetebiliriz Elektronun "spini", onun açısal momentidir (fırıl) Bu da manyetizmaya bağlıdır ve bir manyetik alanda, spin vektörünün yönünü belirliyor Tam da burada, benzerlikler yanıltıcı olmaya başlıyor Bir kere, elektronların belli bir şekli yok; yani şu uzunlukta, bu çapta belli bir cisim değiller Elektronlar matematiksel olarak tanımlanan, bir enerji değerine karşılık gelen, ideal noktacıklar ve boyutsuz nesneler Mesela, bir küre sağa dönerken, durup sola dönmeye başlayabilir Bir elektron ise sağa ya da sola dönmez, hele yavaşlayarak durup ters yönde dönmeye koyulmaz Elektron spini, matematiksel bir nicelikten ibarettir Adlandırma açısından, tamamıyla estetik ve keyfi bir anlam taşıyan, yukarı ya da aşağı spin durumlarından birinde bulunur Elektronlar, yukarı ve aşağı spine, hiçbir ara durum almadan geçer Elektronun tam bir spini var, o da açısal momentinin temel kuvantum biriminin yarısına eşit Maddenin temel parçacıklarının matematiğine ilişkin bu özellik başka bir çalışmanın konusu Bizi ilgilendiren şey, spinin, kütle ve elektrik yüküyle
Spintronik teknolojisi
Sıradan bir elektrik akımında elektronlar rasgele fırıldıyor ve spin, bir kablonun elektriksel direncini ya da transistor devresinin amplifikasyonunu etkilemiyor Spintronik aygıtlarsa, "spin yukarı" veya "spin aşağı" durumlardan birinde bulunan elektronların, yarıiletken devrelerde nakledilmesiyle iş görüyor
Demir ya da kobalt gibi demirli manyetiklerde, komşu atomların elektronları aynı spin durumunda dizilmeye eğimli Eğer, bir demir parçası güçlü manyetik alanla yüklenirse, demir atomlarının elektronları, manyetik olarak bir yönde sıralanıyor (metalin büyük kısmı bundan etkileniyor) Önceden ayarlanmış demirli manyetiklerden elektrik akımı geçirildiğinde, belli bir spin yönünde dönen elektronların yolu tıkanıyorSonuçta, spin kutuplu bir elektrik akımı oluşuyor Voltaj uygulanınca, bu akımın bütün elektronlarının spin yönü tersine dönüyor Spintronik bilgisayarlara, spin yönlerini kaydeden ve okuyan devreler takılıyor
Spintroniğin güçlükleri
Bir kuvantum bilgisayarın, atomaltı parçacıklarının kuvantum durumlarını işlediğini anlatmıştık (ister atom grupları, ister tek tek atomlar olsun) Bunlara kuvantum bitleri (kubit) deniyor Dolaşık atomaltı parçacıklar sayesinde, kubitlerle çok miktarda paralel işlem yürütülebiliyor Hatta, hem işlemci hem sabit hafıza hem de RAM olarak kullanılan ve bu görevleri aynı anda yerine getiren, paralel işlemci izolineer holografik kartlar imal edilebilir (Uzay Yolu'nda, bir Galaksi Sınıfı yıldız gemisi, bu kartlardan binlercesinin takıldığı bir bilgisayara sahipti)

Kubit dolaşıklığı, çevreden hassasiyetle yalıtılması gereken, buna rağmen verileri kullanmak için, dışarıdan müdahale edilmesi zorunlu olan bir sistem Çünkü, bir elektron çiftine veri kaydetmek ve veriyi birinden öbürüne ansızın aktarmak için, o elektronları eş kuvantum durumuna sokmalı ve bu durumu okumalıyız Şöyle açıklayalım, bir elektronun yukarı ya da aşağı spin durumunda bulunmaya iten nedir? Elbette, elektronu iki durumdan birine sokan dış etkiler: bir diğer elektron, manyetik alan ve benzeri Eğer, bir elektron ideal boşlukta olsaydı ve hiçbir fizik kuvveti ve cisim tarafından etkilenmeseydi, aynı anda, hem spin yukarı hem de spin aşağı durumda bulunacaktı Bir insanın hem öne hem arkaya birden yürümesi, sağduyuya aykırı ve akıl karıştıran bir şey Oysa, elektronların boyutsuz birer matematiksel nesne olarak enerji değeri taşıdıklarını anımsamalıyız Elektronlar hem ileri hem geri gidebilirlerİşte veriyi kubitler olarak kaydetmek de bu şekilde mümkün Süper soğutulmuş bir ortamda hızları azaltılmış, konumları büyük bir doğruluk payıyla saptanabilen iki elektronu, ancak bunların spin durumuyla birbirinden ayırabiliriz İki elektron da iki spin durumunda birden bulunuyorsa, birini spin yukarı duruma sokarsak, öbürü de spin yukarı duruma geçecektir Kuvantum fiziğinin uzaktan etki özelliğine göre, böyle iki elektron, fiziksel olarak tek bir elektron gibi davranıyor
Bu denli duyarlı bir yalıtılmış sistem, zararlı parazitlerden nasıl korunacak? Kuvantum bilgisayarların önündeki bu engeli, spintronik, manyetik yaklaşımla aşıyor Yüksüz olduğu için, elektromanyetizmadan etkilenmeyen foton dolaşıklığından yararlanan kuvantum bilgisayarlar yerine, elektron spin kubitleri kullanmak avantajlı Elektron kubitleri, çevreleriyle zayıf olarak etkileşiyor Bu etkileşim de, uzayı birbiçimli olmayan bir şekilde kaplayan ve zamanla değişen manyetik alanlar aracılığıyla gerçekleşiyor Manyetik alanları yalıtmak kolay

Bir deneysel çözüm önerisi
UCSB bünyesinde yer alan Spintronik ve Kuvantum Bilgisayar Merkezi'nin yöneticisi Prof David D Awschalom, Iowa Üniversitesi'nden yoğuşmuş madde üstünde çalışan Prof Michael E Flatte ile Pennsylvania Üniversitesi fizik profesörü Nitin Smith, spintronik uygulamalarını kolaylaştırmak için bir deney yaptılar Kubitlerin doğru bilgiyi içerip içermediğini anlamak amacıyla, bir geleneksel çinko selenid (ZnSe) yarıiletkeninde gerçekleşen spin devingenliğini, zayıf ışık atımlarıyla ölçtüler Elektronlar, bilgi taşımak üzere manyetik bir hizaya girdikçe, salınan sinyal güçlendi Kararsızlaşan elektronlar yüzünden bilgi tutarsızlaştıkça, salıngaç genliği sıfıra düştü (sinyal zayıfladı)

ZnSe yarıiletkeninde optik olarak (ışık atımlarıyla) uyarılan spin durumları, birkaç nanosaniye boyunca (saniyenin milyarda biri) kararlılığını korudu Bu da, elektrik yüküyle işlenen bitlerden (klasik RAM'ler) 1000 kat uzun bir süreydi ki, bilgisayarın işlem sığasının arttığı anlamına geliyordu Spin durumları, oda sıcaklığında birkaç nanosaniye süreyle sabit kalmıştı Galyum arsenidle yaptıkları sonraki deneyler (GaAs, cep telefonları ve CD çalarlarda yaygın olarak kullanılan, yüksek kaliteli bir yarıiletken), en iyi koşullar ve düşük oda sıcaklarında, yarıiletkenin spin kararlılığını yüzlerce nanosaniye koruduğunu gösterdi

Oda sıcaklığında ya da düşük maliyetli soğutma donanımıyla çalışan spintronik bilgisayarlar, bilgiyi uzun süre saklayıp doğru işledikçe, geleceğin dünyasına egemen olacak

wwwfocusdergisicomtr