Milyarlarca km lik uzaklıklardan müthiş etkileşim Kuantum dolaşıklığı

O2022 Nobel Fizik Ödülü, kuantum mekaniği alanındaki çığır açıcı çalışmaları nedeniyle Fransız bilim insanı Alain Aspect, Amerikalı bilim insanı John Clauser ve Avusturyalı bilim insanı Anton Zeilinger'e verildi. Üç bilim insanının çalışmalarının, yeni nesil bilgisayarlar ve daha güçlü telekomünikasyon sistemleri geliştirilmesinin önünü açacağı ifade edildi.

Üç bilim insanı, birbirinden ayrıldığında bile tek bir parçacık gibi davranan iki atom altı parçacığın kuantum dolanıklığı olarak bilinen durumlarını kullanarak geleceğe ışık tutacak deneyler yaptı.

Peki tam olarak nedir bu kuantum dolaşıklık? Sabancı Üniversitesi öğretim görevlisi Prof. Dr. Zafer Gedik, Habertürk için yanıtladı;

1- Kuantum dolaşıklık tam olarak nedir? Bizlere en basit haliyle aktarabilir misiniz?

Dolaşıklık, iki ya da daha fazla kısımdan oluşan sistemlerde gözlediğimiz bir kuantum olayı. Örneğin, iki parçacıktan birine ait fiziksel bir büyüklüğü ölçtüğümüzde, ışık hızıyla gitsek bile deney süresince ulaşılamayacak kadar uzaktaki diğer parçacığa ait fiziksel büyüklüğü de öğreniyoruz. İkinci parçacığın yanına gitmeden, orada yapılan ölçümün sonucunu öğrenmeye ihtiyaç duymadan hatta o ölçüm hiç yapılmamış olsa bile yapıldığında ne çıkacağını o andan itibaren biliyoruz. Bu davranışa dolaşıklık deme sebebimiz, bir ipin ya da yün yumağının dolaşmasına, düğümler oluşturmasına benzemesinden kaynaklanıyor. Çözmek için parçacıkları bir anlamda bir araya getirmemiz ya da ipi kesmemiz gerekiyor. Ölçüm yapmak bir anlamda ipi kesmeye karşılık geliyor.

2- Alain Aspect, John Clauser ve Anton Zeilinger'in Nobel kazanmasını sağlayan neydi?

Bu üç bilim insanına John Bell tarafından geliştirilen kuramsal tahminleri, yaptıkları deneylerle gösterdikleri için Nobel Ödülü verildi. Clauser, Aspect ve Zeilinger yaklaşık onar yıl arayla giderek daha ikna edici deneyler gerçekleştirdi. Bu deneylerde öncelikle Bell'in tahminlerini, kuantum mekaniğine göre olması gerekeni, bir kez de laboratuvarda görmeyi amaçlanıyordu. Kuramsal tahminler öylesine çarpıcıydı ki, kuantum mekaniğine güven tam bile olsa son cevap deneysel gözlemlerde olduğu için bu fizikçiler ölçümler için çaba harcadılar. Ayrıca, geleceğin kuantum teknolojileri için öncü uygulamalar geliştirdiler. Örneğin, Zeilinger ve arkadaşları telenakil işlemini, bir kuantum durumunu bir yerden başka bir yere aktarmayı, gerçekleştirdiler. Buna "uzaktarım" da diyoruz.

3- 3 bilim insanının keşifleri sonrası Einstein nerede hata yapmıştı?

Einstein'ın hatasından çok kuantum mekaniğinin temelleriyle ilgili bir noktada ikna olamaması diyelim. Teorinin ortaya atıldığı ilk yıllarda beri, birbirinden çok uzak parçacıklar arasındaki ilintiler Einstein'ı rahatsız etmiş, Podolsky ve Rosen'la beraber "burada bir sorun var" mesajı taşıyan bir makale yayımlamışlardı. Einstein'nın ölümünden sonra Bell "rahatsız edici de olsa doğa böyle" diye yorumlanabilecek bir kuramsal çalışma gerçekleştirdi. Yani aslında, eğer buna bir hata denecekse, ilk tespit eden John Bell'di. Aspect, Clauser ve Zeilinger bu kuramsal fikirleri laboratuvara aktardıkları gibi geleceğin kuantum teknolojilerinin de temellerini attılar.

4- Size göre kuantum dolaşıklığın bulunması neyi değiştirebilir?

Dolaşıklık, kuantum mekaniğinin ilk yıllarında fark edilen ve Schrödinger'e göre kuantum kuantum yapan bir özellik. Bugün bizi heyecanlandıran, yaklaşık bir asırdır bildiğimiz dolaşıklık değil, dolaşıklık ve benzeri kuantum özelliklerinin uygulama alanları bulması, teknolojik gelişmelere yol açması. Kuantum haberleşme teknikleri ve kuantum hesaplama gibi. Paralelinde, kuantum mekaniğinin temelleriyle ilgili araştırmaların da ilerlediğini görüyoruz. Özellikle ölçme işlemiyle ilgili açık problemler üzerine giderek artan kuramsal ve deneysel çalışmalar var.

5- Kuantum dolaşıklığın sıra dışılığına dair örnekler verebilir misiniz?

Dolaşıklığın en sıra dışı yanı mesafe tanımayan ilintilere imkan vermesi. Einstein'ın fark ettiği üzere ışıktan hızlı gidemiyor, bir yerden bir yere ışıktan hızlı haber gönderemiyoruz. Görecelik kuramının bu en temel aksiyomu kuantum mekaniği için de geçerli. Ama yine de tuhaf bir durum söz konusu. Dolaşık iki parçacıktan biri üzerine yapılan bir işlem diğerinin de durumunu belirliyor. Mesela, biri siyahsa diğeri beyaz, biri daire ise diğeri kare gibi ikili durumlara bakıyor olalım. Bizim renk (siyah ya da beyaz) ve şekil (daire ya da kare) arasında seçim yapmamıza göre diğerinin de durumu belirlenmiş oluyor. Dolaşıklıkla ilgili sıra dışı ilk örnek olan Schrödinger'in kedisini de atlamamalıyız.

6- Kuantum dolaşıklık için, "Aralarında milyonlarca kilometre mesafe olan kardeş parçacıklar eş zamanda birbirlerinden haberdar olabilir" deniliyor. Bu ne şekilde gerçekleşiyor?

Bir önceki sorunuzun tam devamı niteliğinde bir soru bu. Evet, çok uzak, belki dediğiniz gibi milyonlarca kilometre mesafede dolaşıklık söz konusu olabilir. Henüz bu mesafelerde deney yapmadık ama mümkün. Ancak burada "haberdar olmak" ile haberleşmek, bir yerden bir yere bir işaret göndermek kastediliyorsa bu mümkün değil. Az önce bahsettiğimiz örnekte ikinci gözlemci biz ne yaparsak yapalım aynı olasılıklarla aynı sonuçları gözler. Renge de baksak, şekle de baksak, sonuç değişmez. Bunun sebebi de ölçümlerin sonuçlarını önceden tayin edemeyişimiz, belirleyemememiz. Sadece olasılıkları biliyoruz ve sistem bu olasılıklara uyacak şekilde rastgele sonuçlar veriyor. Önemli olan ortalamalar.

7- Kuantum dolaşıklığın çözülmesi, hayatımıza nasıl yansıyacak?

Bu sorunuzla, dolaşıklık ve benzeri kuantum davranışlarının ne tür teknolojik uygulamalara yol açabileceğini kastediyorsunuz sanırım. Tam bir cevap mümkün değil. Bilim ve teknolojideki gelişmeler bizi hep şaşırtmıştır. Ama bugün kuantum mekaniği sayesinde güvenli, üçüncü şahıslar tarafından dinlenemeyen haberleşme teknikleri var. Kuantum bilgisayarlarına doğru adım adım ilerliyoruz. IBM 433 kuantum bitlik bilgisayarını önceki gün duyurdu. Bir bilgisayar düşünün ki mevcut tüm bilgisayarları kullansak evrenin yaşı kadar zamanda bitiremeyeceğimiz hesaplamaları gerçekleştirebiliyor. Bu şekilde, örneğin laboratuvarda tek tek deneyerek uzun sürede ve masraflı bir şekilde ulaşabileceğimiz malzemeleri ya da ilaçları hesaplama yöntemiyle bulabiliriz.

8- Bu konuda bizlere eklemek istediğiniz başka detaylar var mıdır?

Evet. Hem de önemli bir detay. Bell'in eşitsizlikleri ve Aspect, Clauser ve Zeilinger'in deneysel çalışmaları, kuantum mekaniğinin bağlamsallık özelliğiyle ilgili. Yani ölçülen bir büyüklüğün, ölçülen diğer büyüklüklere bağlı olmasıyla alakalı. Dolaşıklık, bağlamsallığın uzak mesafelerde gözlenmesine yani farklı yerlerdeki ölçüm sonuçlarına dayanıyor. Benzer bir davranışı zamanda da gözlemek mümkün. Bir anlamda şimdi yapılan ölçümün gelecekte yapılacak bir ölçüme bağlı olması diye düşünebiliriz. İşte böyle bir kuramsal çalışmayı da Klyachko, Can, Binicioğlu ve Shumovsky'den oluşan bir ekip Türkiye'de gerçekleştirdi. KCBS eşitsizliği diye bilinen bu eşitsizliğin gerçekten beklendiği şekilde gözlendiğini de ilk kez Zeilinger ve arkadaşları gösterdiler.