Kuantum Işınlama Deneyleri

BUGÜN BİLİM İNSANLARI kuantum ışınlama deneyleriyle tek tek atomları, fotonları, elektronları ve yüzlerce çekirdekten oluşan atom bulutlarını birkaç santimetre ile ıoo kilometre mesafedeki laboratuarlara başarıyla ışınlıyor. Peki, önümüzdeki elli yılda insanları da Uzay Yolu dizisinde olduğu gibi yıldız gemisinden başka bir gezegene ışınlayabilecekler mi?

Son 20 yılda kuantum ışınlama bilimkurgunun alanından çıkarak gerçek oldu ve özellikle 2006 yılından bu yana ışınlama alanında önemli ilerlemeler kaydedildi. Fizikçiler önce tek tek foton ya da elektronların kuantum durumunu bu parçacıklarla dolaşık olan eşlerine aktardılar. Ardından, Bose-Einstein yoğunlaşmasına tabi tutulan süper soğutulmuş rubidyum atomlarının kuantum özellikleri, birkaç kilometre uzakta bulunan dolaşık eşlerine ışınlandı. 2014 Eylül ayında ise Cenevre Üniversitesi araştırmacıları, parçacıklar arasında 25 kilometre mesafe ile kuantum ışınlama rekoru kırdı. Avrupa’yı yakından takip eden Çin Bilim Teknoloji Üniversitesinden Profesör Chao-Yang Lu ile ekibi de bundan geri kalmadı ve güncel haberin sitelerde yer almasından kısa süre sonra, bir parçacığın sadece spin durumunu değil, diğer kuantum özelliklerini de aynı anda ışınlamayı başardıklarını duyurdu. Özellikle bu son gelişme, kuantum bilgisayarlar arasında dolanıklık yoluyla kablosuz veri aktarımı sağlamak ve kuantum internet kurmak açısından büyük önem taşıyor.

HEISENBERG’İN BELİRSİZLİK İLKESİ

Kuantum ışınlama teknolojisinin teorik arka planı 6o’lı yıllara uzanıyor. Ancak bu konudaki ilk somut adım 90’larda atıldı. IBM T.J. Watson Araştırma Merkezi’nden Charles Bennett, 1993 yılında yayınlanan “Bilinmeyen Bir Kuantum Durumunu İkili Klasik ve Einstein-Po-dolsky-Rosen Kanallarıyla Işınlama” başlıklı kısa makalesinde, iki kuantum parçacığının dolanıklık ile birbirine nasıl bağlanacağını ve dolaşıklığın uzak mesafelerde nasıl korunabileceğini gösterdi.

Kuantum fiziği dolanıklık için mesafe sınırı getirmiyor ve her ne kadar bunu başarmak şimdilik mümkün olmasa da ıo milyar ışık yılı uzaktaki iki parçacığın bile dolaşıklığa girmesine izin veriyor. Ancak dolaşıklığın ışıktan hızlı iletişimi engelleyen bir özelliği var: Heisenberg’in belirsizlik ilkesi nedeniyle yalnızca bilinmeyen kuantum durumları dolaşık parçacıklara aktarılabiliyor. Bunun sebebi atomaltı parçacıkların dış etkilere karşı son derece hassas olması. Öyle ki bir fotonu doğrudan gözlemlemek, o fotonun kuantum durumunu değiştiriyor. Bu da bilginin (enformasyonun) kuantum ışınlama ile ışıktan hızlı olarak aktarılmasına engel oluyor.

Teorik olarak bir elektronu gözlemleyerek söz konusu parçacığın spin yukarı durumda olduğunu tespit etmek mümkün. Bu durumda onunla dolaşık kardeş elektronun spin aşağı durumunda olacağını ve bu kardeş elektronla dolaşık olan üçüncü bir elektronun da tıpkı ilk elektron gibi spin yukarı durumda olacağını öngörmek mümkün. Ancak, birbiriyle dolaşık iki ayrı elektron çiftinden yararlanan bu dolaylı teknikle bile Dünya ile Mars arasında ışıktan hızlı iletişim kurmak mümkün değil. Çünkü Dünyadaki elektronu gözlemleyen kişi, baktığı elektronun ölçüm bilgisini Mars’a radyo dalgaları ile ışık hızında göndermek zorunda. Mars’taki alıcının da Dünya’dan hangi mesajın gönderildiğini anlamak için bu bilgiye sahip olması gerekiyor. Aksi takdirde Mars’taki laboratuarda gördüğü elektron spin durumunun, kendisine iletilmek istenen spin durumu olduğundan emin olamaz. Bu basit kuantum ışınlama tekniği noktadan noktaya tek bitlik veri aktarımına izin veriyor (spin durumlarım evet ve hayır cevapları için kodlamak gibi).

PEKİ YA KAPTAN KIRK?

Bu durum Kaptan Kirk için de geçerli. Kaptan Kirk’ü Atılgandan Dünyaya ışınlamak mümkün olsa bile bunu ışıktan hızlı gerçekleştirmek imkansız. Sonuçta ışınlamada söz konusu olan, Kirk un vücudundaki enformasyonu hedef gezegene ışınlamak. Ancak Kirk’ün atomlarının kuantum durumunu aktarmanın yolu bu atomlarla ilgili ölçümlerin bilgisini Dünyaya ışık hızında yollamaktan geçiyor. Teknik ifadesiyle kuantum dolaşıklığı iki parçacık arasında bir bağıntı kuruyor, ancak bir parçacığın diğerini neden-sonuç ilişkisi içinde etkilemesine izin vermiyor (böyle bir durum söz konusu olsaydı, Einstein’ın uzaktan etki dediği ışık hızını aşan ve yerel olmayan bir etkileşim ortaya çıkacaktı).

Nitekim kuantum fiziği açısından bakıldığında, Atılganın kaptanı dev bir Büyük Veri yığınından ibaret. Kaptan Kirk’ün beyin haritası (konektom), beyin dalgaları, anıları, kişiliği, DNAsı ve vücudundaki atomların konumu ile enerji durumu büyük bir veri kümesi oluşturuyor. Bu sebeple Kaptan Kirk’ün atomlarının içerdiği veriyi Dünyadaki eşdeğer atomlara kopyalayarak onu ışınlamak, aslında Dünyada Kirk’ün bir kopyasını oluşturmak anlamına geliyor ve bu noktada ışınlamayla ilgili birkaç problem var:

Öncelikle Heisenberg’in belirsizlik ilkesi bir parçacığın konumu ve hızının aynı anda yüzde 100 kesin olarak bilinmesine izin vermediği için kuantum fiziğinde mükemmel kopya yaratmak, yani kusursuz klonlama yapmak imkansız. Bu ilke hız ve konum dışında spin durumu ile mo-mentum gibi diğer kuantum özellikleri için de geçerli. İkinci olarak termodinamik yasaları da kusursuz klonlamaya izin vermiyor. Çünkü bu, Evren’deki toplam enerji miktarının artmasına ve enerjinin korunumu yasasının ihlal edilmesine neden olurdu. Elbette kuantum ışınlamada yolcunun birebir kopyasını çıkarmak şart değil. Bunun yerine gerçeğine çok benzeyen kusurlu bir kopya da yaratılabilir. Ancak bu da kişinin birden fazla kopyasının Dünya’da dolaşması anlamına geliyor.

Son engel de yine belirsizlik ilkesinden kaynaklanıyor.

KOMPLEKS IŞINLAMAYA DOĞRU

Kuantum dolanıklık, parçacık çiftleri veya gruplarının özel bir şekilde etkileşime girmesi ve bu nedenle tek tek parçacıkların konum, momentum, polarizasyon ve spin gibi kuantum durumlarının birbirinden bağımsız olarak tanımlanamadığı fiziksel bir fenomen olarak açıklanıyor. Kuantum dolanıklığının menzil sınırı bulunmuyor, birbirinden birkaç santimetre veya 10 milyar ışık yılı uzaktaki iki parçacık da dolanık olabiliyor.

1964 yılında fizikçi John Stevvart Bell, kuantum fiziğinde dolaşıklığın gerçek olup olmadığını göstermek için bir deney tasarladı. Bu deneyi o yıllarda gerçekleştirmek teknolojik yetersizlikler nedeniyle imkansızdı; ancak günümüzde, Hollanda Delft Teknoloji Üniversitesi Bell’in deneyini aslına uygun şekilde gerçekleştirme yolunda önemli bir adım atmış bulunuyor.

Delft ekibi, deney için elektronları süper soğuk elmasların içindeki mikroskobik hücrelere hapsetti. Bu teknik, araştırmacıların elektron spinlerini yüksek hassaslıkta ölçmesine ve bu bilgileri kodlamasına izin verdi. Ardından elmastaki elektronlar başka bir elmastaki elektronlarla dolaşıklığa sokuldu ve eşlerin spin durumu değişikliklerinin birbirini nasıl etkilediği gözlemlendi. Dolaşıklığın net olarak ölçülmesi ve deneyde fotonik kristallere benzeyen elmasların kullanılması, düşük güçle çalışan ekonomik kuantum bilgisayarlar geliştirmek açısından da önem taşıyor.

Bununla birlikte iki elmasın birbiriyle yan yana duran iki ayrı masada olması, kuantum iletişiminin anlık olarak değil de ışık hızında gerçekleştiğini göstermeyi zorlaştırıyor. Bu sebeple bilim insanları deneyin ikinci aşamasında dolaşıklığı Dünya’nın iki ayrı ülkesindeki test ekipmanlarını birbirine bağlayarak gerçekleştirecek. Bu tür testler daha önce birbirinden 100 km uzaktaki iki ayrı adada yapılmış, ama kuantum dolaşıklığı sadece yüksek ihtimal dahilinde gösterilmişti. Dolaşıklığın gerçek olduğunu kesin olarak göstermek içinse Bell deneylerinin çok daha duyarlı testlerle yapılması gerekiyor (bilim insanları bu konuda şüphe duymuyor ama aynı araştırmacılar 100 yıldır görelilik teorisini de yeni yöntemlerle test etmeye devam ediyor).

Kuantum dolaşıklığı ve kuantum ışınlama bilgisayarlarda pratik olarak kullanılabilirse Yerdeniz Üçlemesi ile tanınan fantezi yazarı Ursula Le Guin’in “ansible” süper bilgisayar tasarımı da gerçek olabilir. Susskind’in öne sürdüğü gibi kuantum dolaşıklığı solucandelikleriyle gerçekleşen ve ışıktan hızlı hareket eden bir uzaktan etki ise (solucandeliklerinin Evren’de ışıktan hızlı yolculuk etmeye izin vermesi bağlamında), Le Guin’in ışıktan hızlı çalışan süper bilgisayar tasarımlarının da bir gün gerçekleştirilmesi bekleniyor. Buna karşın Susskind dahil pek çok fizikçi, bunun Heiserberg’in belirsizlik ilkesi nedeniyle imkansız olduğunu düşünüyor.

OPTİK KUANTUM BİLGİSAYARLAR

Bilim insanları bir fotonu 25 km uzaktaki başka bir fotona ışınlamayı başardı ve bu tümce aslında bozuk bir cümle değil. Kuantum ışınlama atomaltı parçacıklar için aynen bu şekilde çalışıyor, Deney setleri bir fotonun kuantum bilgisini silip başta bir fotona aktarıyor. Fizikte iki foton arasında yapısal bir fark olmadığı için orijinal fotonun bilgisini kardeş fotona kopyalamak pratikte o fotonu ışınlamak anlamına geliyor. Fizikçiler ise dünya rekoru kırma amacıyla değil, optik kuantum bilgisayarlar geliştirmeyi mümkün kılacak hassas ışınlama teknolojileri geliştirmek için uzun mesafeli ışınlama deneyleri yapıyor. Fotonların fotonik kristaller içindeki moleküler iletişim kanalları ve atom büyüklüğündeki optik kanallar aracılığıyla dolaşıklığa sokulması; yani fotonların hassas veri akışı için tek tek kodlanarak yönlendirilmesi, D-Wave şirketinin elektrikle çalışan hantal kuantum bilgisayarları yerine ışıkla çalışan kuantum bilgisayarlar geliştirilmesini sağlayacak.

Fotonik kristaller, kuantum bilgisayarlarda elektrik tüketimini azaltmanın yanı sıra dolaşıklığın büyük ve pahalı soğutma sistemleri olmadan korunmasına da izin veriyor. Bu tür sistemlerde dolanıklık fotonik kristallerin moleküler yapısının oluşturduğu manyetik alanlarla korunuyor. Fotonik kristaller aynı zamanda bilgisayar mühendislerinin, deneysel bilgisayarın gerçekten kuantum bilgisayar olup olmadığını test etmesi için gereken stabil ortamı da sağlıyor. Cenevre Üniversitesi’nden Nicolas Gisin’in 25 kilometre mesafede foton dolaşıklığı oluşturması bu açıdan önem taşıyor. Fiber optik kablo yoluyla bir fotonun kuantum durumunu 25 kilometre uzaktaki bir kristale aktaran Gisin, bu deneyle daha önce 6 kilometre olan kendi rekorunu da kırmış oldu.