12.9 C
İstanbul
15 Aralık 2019
Kuantum Mekaniği Popüler Bilim

Kuantum Işınlama Deneyleri 20 Yaşında!

1997 yılında parçacıkların kuantum durumlarının bir yerden başka bir yere ışınlanabileceği kanıtlandı. Kuantum haberleşme ve kuantum bilgisayar teknolojisi açısından bu keşfin çok önemli sonuçları olduğu ortaya çıktı.

Işınlanmayı hangimiz hayal etmemiştir ki. Hele ki trafikte mahsur kaldığımızda… Bir yerde parçalara ayrılıp uzak bir lokasyonda tekrardan bir bütün haline gelmek kulağa hem müthiş hem de imkansız geliyor. Ancak bu gerçekten imkansız mı? Aslında değil. Maddeden oluşan nesne bir lokasyonda ortadan kaybolabilir ve aradaki mesafeyi katederek başka bir lokasyonda tekrardan ortaya çıkabilir. Ancak bir nesne yalnızca maddeden ibaret değildir. Aristo’nun bize yıllar önce öğrettiği gibi nesnenin aynı zamanda yapısı, tözü ve formu; fizikçilerin bize bugün söylediği gibi parçacıkları ve kuantum halleri vardır. 20 yıl önce Boschi ve Bouwmeester, kuantum enformasyonda büyük ilerlemelere yol açan ilk kuantum deneylerini gerçekleştirmek için bu fikri kullandı.

1993 yılında bir grup teorik fizikçi, döneminde hayli kuşkuyla bakılan iki konuyu ele alıyorlardı: Dolanıklık ve yerbilmezlik (non-locality). Kuantum dolanıklık, iki veya daha fazla parçacığın ortak bir kuantum halini paylaştığı bir olaydır. Kuantum durumu ortak olan hiçbir parçacık birbirlerinden bağımsız olarak tanımlanamaz. Non-locality (yerbilmezlik) ise uzaysal olarak ayrık durumdaki kuantum parçacıklarının uzay-zaman hakkındaki sezgilerimizin ötesindekini davranışlarının gözlemini ifade eder.

O sırada teorisyenler bir çift dolanık haldeki parçacığın; gönderici, karşı taraftaki taneciğin kuantum halini veya alıcının konumunu bilmese bile, bir kuantum halin bir yerden başka bir yere ışınlamak için kullanılabileceğinin farkına vardılar. Işınlama sürecinde, göndericinin konumundaki madde, yapısını kaybeder ve yapısı bozulan madde alıcının konumunda bu yapıyı tekrar kazanır. Böylelikle göndericideki kuantum durum ortadan kaybolur ve alıcıda tekrar ortaya çıkar. Bu arada belirtmek gerekir ki kuantum haberleşme alanında klonlama yasak teoremi (no-cloning theory) gereği göndericideki kuantum durum yok edildiğinden dolayı bu süreçte kuantum durumun kopyası alınamaz veya tekrar yaratılamaz.

Görsel 1: Kuantum Işınlanma. 20 yıl önce Boschi ve Bouwmeester bir fotonun kuantum durumunu göndericiden, uzak mesafedeki alıcıya ışınlanabileceğini gösterdi. Bu teknikte, dolanık hale getirilmiş, yani özellikleri güçlü bir şekilde bağdaştırılmış bir çift foton kullanılır. Prensipte, kuantum ışınlanma süreci öncesinde, dolanık fotonlardan biri (mavi olan) alıcıya verilir. Gönderici, bilinmeyen kuantum haline sahip bir foton (pembe) hazırlar ve Bell durum çözümleyici (Bell-state analyser) adındaki cihaz ikinci dolanık foton (gri) ile pembe fotonu kaynaştırır. Bu cihaz, iki fotonun kuantum durumlarının ortak ölçümünü yapar ve sonucu klasik (kuantum olmayan) sinyal ile alıcıya gönderir. En sonunda alıcı kendi fotonunu dönüştürmek için bu bilgiyi kullanır ve böylece göndericinin fotonundaki kuantum durum tekrar yaratılır. 

İki dolanık parçacığın yanı sıra ışınlama sürecinde gönderici tarafından gönderilecek çok küçük miktarda klasik bilgiye (kuantum olmayan bilgi) ihtiyaç duyulur. İki sıradan (reel) sayılarla –yani sıradan bir bilgisayardaki 0 ve 1 gibi- ifade edilen kuantum durum için genelde yalnızca iki bit bilgi gerekmektedir –ki bu kuantum durumun klasik tanımından çok daha az bilgi gerektiği anlamına gelmektedir. Bu klasik bilgi safhası, bu sürecin ışık hızını aşamayacağını gösterir.

Klasik bir bilgisayarda bitler ya 1 ya da 0 olarak kaydedilir. Ancak süperpozisyon ilkesi gereği kuantum dünyada kübit adı verilen veri aynı anda hem 0 hem de 1 olabilir.

Teorik fizikçilerin icat ettiği “kuantum ışınlama”  tabirini gazeteciler tüm dünyaya yaydı. Bu üretilen tabir mükemmel bir reklamcılık (PR) başarısı olmakla birlikte aynı zamanda gerçekleşen süreci çok iyi bir şekilde tanımlıyor. Nesne, kelimenin tam anlamıyla gözden kayboluyor ve yapısı bozulan bir “toz”a dönüşüyor ve artık başka bir konumda bulunan uzaktaki “toz“, nesnenin (muhtemelen bilinmeyen) şeklini kazanıyor. Aslında kuantum ışınlanma süreci hilelidir ve kavram ilk başlarda kafa karışıklığı yaratır.

Üstesinden gelinmesi gereken asıl sorun, ışınlanan parçacığın durumu ve dolanık parçacıklardan birinin durumu olmak üzere iki kuantum durumun ortak ölçümü anlamına gelen Bell-durum ölçümünün (Bell-state measurement) gerçekleştirilmesiydi. Geometride okların işaret ettiği yönleri bilmeden iki kesişen ok arasındaki açıyı ölçmek gibi buradaki hedef de kuantum duruma dair bilgi edinmeden iki kuantum durum arasındaki ilişkinin bilgisini edinmektir. Bu olay yalnızca, kuantum dolanıklığının başka bir faydasından yararlanıldığı kuantum dünyada gerçekleşebilmektedir. Sadece doğrusal optik kullanarak Bell durumunun tam ölçümünü gerçekleştirmenin imkansız olduğunu biliyoruz (zira ışığın yoğunluğu, foton yaratılmasını sağlamak  için yeterince yüksek değil).

İki grup, teorik temellerinin atılmasından yalnızca 4 yıl sonra 1997’de kuantum ışınlamayı gerçekleştirdi. Olağanüstü ilerlemeyi gerçekleştiren iki takımdan ilki İtalyan Boschi’nin takımı, diğeri ise Boschi’den birkaç ay sonra Hollandalı araştırmacı Bouwmeester’in Avusturya’daki takımıdır. İtalya’daki takımın üyesi olan Sandu Popescu tek bir fotonu ve Bell durum ölçümünü de dahil ederek iki kuantum hali şifreleme fikrini öne sürdü. Avusturya’daki takımın üyelerinden Harald Weinfurter, iki bağımsız fotona (kısmi) Bell ölçümü yapılabileceğini keşfetti.

Boschi’nin takımı kuantum ışınlamayı ilk gerçekleştiren takım olsa da, Bouwmeester’in takımı da çalışmayı ilk kez yayınlayan takımdır. Bu durum, yeni yeni oluşmaya başlayan kuantum enformasyon camiasını yok edecek azılı bir mücadeleyi ateşleyebilirdi. Neyse ki, herkesi oyalayacak kadar çalışma ve yaratıcılık mevcuttu o zamanlar. Aynı yıl Finlandiya’da bir araya gelen bir grup araştırmacı, kuantum enformasyon bilimini esas alan Avrupa projelerini başlattı. Bu çalışma, Avrupa’daki en büyük bilimsel program olarak bugünün kuantum teknolojilerinin amiral gemisidir.

Yol boyunca sıradan atomlarla olan çarpışmalar, fotonların hassas kuantum durumlarını bozarak, iletim mesafelerini birkaç yüz kilometreyle sınırlar. Teoride bunu aşmak ve sinyali attırmak için kuantum tekrarlayıcı adı verilen ve henüz geliştirme aşamasında olan cihazın kullanılması planlanmaktadır.

1997’den beri kuantum ışınlanma, kuantum enformasyon biliminin ana dalıdır. Örneğin bu araştırma sürecinde kuantum tekrarlayıcı (Quantum Repeater) ismindeki cihaz sayesinde bizi rastgele belirlenmiş büyük mesafeler arasında kuantum iletişim kurmamıza veya uzayda haberleşmemize imkan vereceği anlaşıldı. 2017’nin başlarında Çin’de, aralarında 1400 kilometreden fazla mesafe olan uydu ile yer istasyonu arasında kuantum ışınlanma gerçekleştirebilirliği ispatlanmış oldu.

Kuantum ışınlanmada 3 anahtar uzaklık kavramı söz konusudur. Bunlar:

  • Gönderi ile Bell durumu çözümleyici arasındaki uzaklık
  • Dolanık foton kaynağı ile Bell durumu çözümleyici arasındaki uzaklık
  • Dolanık foton ile alıcı arasında mevcut olan uzaklık

En kolay uygulanabilir yöntem olduğu için çoğu deneyde yukarıdaki değişkenler arasında en çok üçüncüsünün mesafesi arttırılır. Bu arada –istisnai olarak- bir deneyde her üç mesafe de arttırılmıştır. Diğer deneylerde birkaç milimetre gibi aşırı kısa aralıklarda kuantum ışınlama yapılır ancak diğerinden farklı olarak bu deneylerde çok büyük sayıda kuantum durum kullanılır. Kısa mesafede yapılan deneyler kuantum bilgisayarlardaki bilgi işlemeyi olağanüstü düzeyde hızlandırır.

İlk deneysel çalışmanın üzerinden geçen 20 yılda kuantum ışınlanma, yeni nesil kuantum haberleşme sistemlerini ve kuantum bilgisayarları geliştirmek için fizikçilerin, mühendislerin, bilişim uzmanlarının ve matematikçilerin birlikte çalışmalarına olanak sağlayacak bir araç haline dönüşmüştür.

Not

Non-locality ve bell-state measurement terimlerine dair henüz Türkçe literatürde oturmuş karşılıklar yok. Nonlocality teriminin karşılığı için mekansızlık, konumsuzluk, yerelleşemezlik, yerbilmezlik, konumsuzluk gibi çeşitli öneriler yer almasına karşın “yerel olmama” veya “yerbilmezlik” ifadesi kavramın bağlamdaki asıl anlamı açısından daha doğru bir tercih olacaktır. Bu çeviride yerbilmezlik kullanılmıştır. Katkılarından dolayı sayın Dr. Kutlu Kutluer’e teşekkürler.

Nature dergisinde yazılan orijinal makale, kendisi de Avrupa’daki kuantum ışınlama projelerinde yer almış ve şu an Cenevre Üniversitesi’nde profesör olarak kuantum haberleşme ve kuantum enformasyon üzerinde çalışan İsviçreli Nicolas Gisin tarafından yazılmıştır ve yukarıdaki çeviride birinci tekil şahısın kullanıldığı cümleler veya konuya dair yorumlar Nicolas Gisin’in kendi görüşleridir. Yazı 2017 yılında yazıldığı için 1997 ile 2017 yılları arasındaki çalışmalar ve gelişmeler ele alınmaktadır.

Çeviri: Emre İnanır

Referanslar
1. Gisin N., Quantum-teleportation experiments turn 20, Nature, <https://www.nature.com/articles/d41586-017-07689-5?fbclid=IwAR1qLtSCeclrfbchHhn1VFr00GyQot_Z52NYG2H8_q1IvXEK3TInMKmaQj4#ref-CR4>
Kapak Görseli: C-Y Lu

ilginizi Çekebilir

Ay İllüzyonu: Ay Ufukta Neden Daha Büyük Görünür?

Ögetay Kayalı

Güneş Kreminin İçinde Ne Var?

Rasyonalist

Ay’ı Roket Yakıtı Üretmek İçin Kazacağız!

Ege Can Karanfil

Yorum Bırakın