Dijital devrelerde, bir transistör küçük bir voltaj kontrollü anahtar gibi davranır: açık olabilir, akımın akmasına izin verebilir veya kapalı olabilir, akımı engelleyebilir. Bu iki elektriksel durum, ikili verileri (1’ler ve 0’lar) temsil etmenin ve işlemcilerin çalışmasını sağlayan mantık kapılarını oluşturmanın temelini oluşturur. Modern CPU’lar ve GPU’lar transistörlerle doludur; bu yazıyı yazdığım dizüstü bilgisayardaki temel M4 çipi yaklaşık 28 milyar transistör içerir.
Yeni kuantum işleme teknolojisi altyapı için fırsatlar içeriyor
Peki, transistörün parlak dönemi sona mı eriyor? Bu mütevazı küçük anahtar bize son derece iyi hizmet etti, ancak veri işleme yeteneğimize bir sınır koyuyor. Daha fazla veri işlemek istiyorsak, daha fazla transistöre ihtiyacımız var. Veriyi daha hızlı işlemek istiyorsak, açık konumdan kapalı konuma ve tekrar açık konuma daha hızlı geçiş yapan transistörlere ihtiyacımız var. Ve her ikisini de istiyorsak, silikon levhalarımıza daha fazla transistör sığdırmamız gerekiyor. Aynı zamanda onları daha küçük ve daha hızlı hale getirmemiz gerekiyor.
Transistörlerimizi küçültmek ve hızlandırmak için on yıllar harcadık, ancak sonunda bu süreç fizik yasalarının getirdiği temel sınırlamalara takılmaya başlıyor. Bunlardan biri ısı üretimidir: anahtarlama akımı ısı üretir ve transistörleriniz ne kadar hızlı anahtarlama yaparsa, o kadar çok ısı üretirsiniz.
Bu sınırlamaların üstesinden verimli ve pratik bir şekilde nasıl gelineceğini bulmak, bilgisayar araştırmalarının en büyük hedefidir ve bu ay Science dergisinde yayınlanan yeni bir makale, umut vadeden yeni bir fikri açıklıyor. Makale, Tokyo Üniversitesi’nden bir ekibin soruna radikal bir yaklaşım sergilediğini anlatıyor: transistörlerden tamamen vazgeçtiler. Bunun yerine, “kalıcı kuantum anahtarlama elemanı”, belirli bir bitin durumunu temsil etmek için tek bir elektronun spinini kullanıyor.
Elektronların spin durumlarını değiştirmenin, transistörleri açıp kapatmaktan hem daha hızlı hem de daha enerji verimli olduğu ortaya çıktı. Makaleye göre, kuantum anahtarlama elemanıyla tek bir bitlik bilgiyi işlemek 40 pikosaniye sürüyor. (Bir pikosaniye, saniyenin trilyonda biridir veya 1 x 10⁻¹² saniyedir.) Bu inanılmaz derecede kısa bir süre; karşılaştırma yapmak gerekirse, günümüzün en hızlı bilgisayarları bile aynı işlemi yapmak için yaklaşık bir nanosaniyeye, yani 1 x 10⁻⁹ saniyeye ihtiyaç duyuyor.
Bu teknolojinin birkaç heyecan verici yönü daha var. Elektronlar, bir şey onları tekrar değiştirene kadar atanmış spin durumlarında kalırlar; bu da bu şekilde depolanan bilginin kalıcı olduğu anlamına gelir: veriler güç olmadan depolanmaya devam eder. Ayrıca son derece dayanıklı görünüyor: makalede, anahtarlama elemanının 100 milyar geçişten sonra nasıl kararlı kaldığı açıklanıyor; bu da ısı nedeniyle kademeli bozulmaya ve nihayetinde arızaya yol açan mevcut teknolojilere göre birkaç kat daha iyi bir performans anlamına geliyor.
