Kuantum Işınlanma ve Kuantum Dolanıklık

Sadece birkaç atom kullanarak bir yerden başka bir yere kuantum ışınlanma yoluyla ansiklopedilerin aktarılabileceği* bir gelecek, neden olmasın? Kuantum dolanıklık kavramı da tam bu noktada devreye giriyor. Kuantum ışınlanma yoluyla kilometrelerce uzağa aynı anda bilgi paylaşımı mümkünken geçmişten geleceğe bir kuantum mesaj göndermeye ne dersiniz? Henüz gerçek değil ama teorik çalışmalar, kuantum dolanıklık sayesinde bunun mümkün olabileceğini destekliyor. Bir bilim kurgu dizisi olan “Fringe”de aşık bir çiftin farklı evrenlerden birbirleri ile iletişim kurmasında kurgulanan kuantum dolanıklık gerçekte nedir? Albert Einstein’in yanılgısı ve Erwin Schrödinger’in zaferi mi?!..

İki fizikçi zamanakarşı iki parçacığındolanık olabileceğini matematiksel olarak tanımladı. Zaman içinde hareket eden bir kuantum mesajı?

Kuantum dolanıklığı kuantum kriptografi (şifreleme), kuantum bilgisayar ve kuantum ışınlanma gibi merak uyandıran günümüz bilimin en önemli uğraşları üzerine araştırmaları da içeren fiziğin en ilginç çalışma alanlarından biridir. Fakat, dolanıklık insan saçı veya bir iplik gibi büyük şeylerin birbirine dolaşması anlamında değil; yerine kuantum dolanıklık, ışığın parçacıkları olan fotonlar gibi çok çok küçük kuantum niceliklerin nasıl birlikte olduğunu, birbirlerine nasıl bağlandığını ve bilginin kuantum bitlerini (kubit) nasıl paylaştığından bahseder. Kuantum dolanıklık elbette ki sadece fotonlarda etkin değil bugüne kadar elektronların yanı sıra buckyball denilen nanotoplar gibi büyük moleküller ve hatta küçük elmaslarda da etkin olduğu yapılan çalışmalarla gösterilmiş. İşte bu tür parçacıklar bir kere birbirleri ile dolanık hâle geldiklerinde onlar uzayda ve belki de zamanda birbirlerinden ne kadar uzak olursa olsunlar bilgiyi paylaşmayı veya bu birbirlerini etkilemeyi sürdürmeyi devam ettirirler.

Peki bu dolanık hâle gelen çift parçacıklar birbirleri ile ne tür bir bilgiyi paylaşırlar*? Kuantum dolanıklığı etkileşmesine sahip çift parçacıklar aynı kuantum mekaniksel durumuna sahip parçacıklardır. Böylesine aynı kuantum durumunda olan parçacıkların konum, momentum, spin, polarizasyon gibi kendilerine ait fizik için önemli birçok faktörü birbirleri ile paylaşırlar. İşte bilim insanları bu parçacıklar arasındaki bilgi paylaşımını kullanarak kuantum iletişim üzerine çalışmalarını sürdürüyorlar. Keza kuantum ışınlanma da benzer olarak bu çalışmaların arasında sayılabilir.

Kuantum mekaniğinin getirdiği en tuhaf özelliklerinden biri olan kuantum dolanıklık, ilk başlarda da birçok bilim insanına göre mantık dışı olarak görülmekteydi. Kuantum dolanıklığının böyle görünmesindeki en büyük nedenlerden biri, dolanık parçacıkların aralarındaki mesafenin çok ama çok uzak olmasına rağmen birbirleri ile bilgi paylaşabilmeleri düşüncesi idi. Şüphesiz ki, klasik fizik dünyasında bu sıradışı bir olaydı ve henüz emekleme aşamasında olan kuantum mekaniğin ilk yıllarında bu olay oldukça tartışıldı. Hatta tartışmalar, bu tartışmayı yapan insanların ölümlerinden yıllar sonra neticelendi. Artık günümüzde kuantum dolanıklık bilim dünyasınca kabul edilen ve deneysel olarak uygulanabilen, kuantum mekaniğinin karakteristik bir özelliğini taşıdığı ifade edilen bir kavram olarak gelecekte günlük yaşantımızı değiştirmek üzere olan bir bilimsel çalışma alanıdır.

*Kuantum dolanıklık yoluyla bilgi paylaşımı aslında yararlandığım kaynaklardan kaynaklanan bir yorum. Gerçekte dolanık hâldeki parçacıkların birbirlerine bilgi iletimi söz konusu değildir. Dolanık çiftler arasında uzaklık ne olursa olsun anında etkileşim söz konusudur ama bu bilginin birinden diğerine iletilmesi anlamında değildir. Bu etkileşim, kuantum süperpozisyon halindeki çiftlerin aynı kuantum durumunu paylaşmaları ile başlangıçta dolanık halde olmaları sonucunda uzaklığa bağlı olmaksızın bu dolanıklık hâlini sürdürmeleridir. Böylece birbirlerinin durumunu kuantum mekaniksel olarak etkilemiş olurlar, anında! Kuantum dolanıklığı daha iyi anlamak adlı başlıkta örneklendirme yoluyla kuantum dolanıklığı biraz daha detaylı açıklamaya çalıştım. Kuantum ışınlanma ise apayrı bir konudur, ileride başka bir yazı ile ele alacağım.

Kavramın Ortaya Çıkışı ve Geçmişi

Kuantum mekaniğinin tuhaflığını gözler önüne seren kuantum dolanıklık kavramı 1935 yılında fizikçi Erwin Schrödinger tarafından ilk defa dile getirilirken öncesinde EPR paradoksu olarak bilinen ve yine aynı yılda yayınlanan bir makalede ilk defa tartışıldı. EPR paradoksu Albert Einstein, Boris Podolsky ve Nathan Rosen’in 1935 yılında yayınladıkları “Fiziksel Gerçekliğin Kuantum Mekaniksel Tanımı Tamamlandığı Düşünülebilir Mi?” başlıklı makalelerinde kuantum mekaniğinin farklı bir yorumu olarak ortaya konmuştu. Bu makalenin ardından Erwin Schrödinger kuantum dolanıklık ifadesini ilk kez kullandığı iki ayrı parçadan oluşan ve “Proceedings of the Cambridge Philosophical Society”’de yayınladığı bir makale ile EPR paradoksunu eleştirdi. Bu ilk çalışmalar ise kuantum mekaniğini eleştirmek amacıyla kuantum dolanıklığın mantığa aykırı gözüken özellikleri üzerine odaklanmıştı. Ancak Albert Einstein hiçbir zaman kuantum dolanıklık terimini kullanmadı, keza bu ifade yerine “uzak mesafeden hayaletimsi etki” gibi alaycı bir ifade kullanıyordu.

Kuantum sistemleri arasındaki ayrılmaz ilişkiyi tanımlayan dolanıklık teriminin savunucularından Schrödinger, dolanıklığın kuantum dünyanın en önemli unsurlarından biri olduğuna inanıyordu ve bunu “düşüncenin klasik çizgilerinden tamamen ayıran zorlayıcı kuantum mekaniğin karakteristik bir özelliği” olarak niteliyordu. Schrödinger’in katılmadığı kuantum mekaniği yorumlarından biri olan Copenhagen yorumu, kuantum dünyadaki tüm potansiyellerin bir potansiyel gözlenene kadar eş zamanlı olarak var olduğunu öne sürüyordu. Yani gözlenenler, örneğin herhangi bir parçacığı spin durumu, ölçülene dek belirsizdi. Schrödinger ise böyle bir ifadenin saçma olduğunu gösterebilmek adına bir düşünce deneyi oluşturmaya karar verdi. Şimdi bu düşünce deneyi “Schrödinger’in Kedisi” olarak bilinir hale geldi.

Schrödinger biraz radyoaktif madde ile birlikte bir kutu içine hayali bir kedi koydu. Eğer bu radyoaktif madde bozunursa bir Geiger sayacı tetiklenecek ve bu sırada da kedi radyoaktif zehirlenmeden ötürü ölecek. Ancak bu maddenin bozunma şansı %50’dir. Dolayısıyla Copenhagen yorumuna göre Schrödinger’in hayali kedisi, biri kutunun içine bakana kadar hem ölü hem de canlı olacak. Ancak Schrödinger gerçekte böyle bir şeyin olamayacağını düşünerek bu Copenhagen yorumunun sonucuna karşı çıkıyordu. Schrödinger bu düşünce deneyinde “kuantum dolanıklığını” radyoaktif madde kullanarak bir atom altı parçacık ile canlı bir kedi arasında kurmuştu. Bu düşünce deneyini mikroskobik seviyedeki belirsizliğin makroskobik cisimleri de etkilediğini kabul etmenin etkilerini özetleyen bir düşünce deneyi olarak da görebilmek mümkün. Yani kedinin canlı ya da ölü olma durumunun bir atom altı parçacığın durumuna bağlı olmasını gösteren bu düşünce deneyi kuantum dolanıklığın ilk örneği idi. Sonuç olarak, Schrödinger kedinin gerçekte hem ölü hem canlı olmasının gerçekçi olmayacağını söyleyerek Copenhagen yorumuna karşı çıkarken kuantum dolanıklık kavramını da ilk kez ifade etmişti.

Albert Einstein da aynı yıl bir düşünce deneyi tasarladı. Onun düşünce deneyi ise Schrödinger’in kuantum dolanıklık düşüncesinin (çok uzaklarda olan iki parçacığın birbiri ile bilgiyi paylaşacak olması) yanlış olduğunu göstermek amacını taşıyordu. Einstein bu düşünce deneyinde şu soru üzerinde duruyordu: Eğer iki foton dolaşıksa ve bu iki foton haliyle ışık hızında hareket ederek farklı yönlere gönderilmişse ve sadece fotonlar ışık hızında hareket ettiğine göre siz birini ölçerken veya gözlemlerken diğerindeki değişimi aynı anda nasıl bilebilirsiniz? Burada özel görelilik teorisinde ifade ettiği gibi Einstein’in gerekçesi hiçbir şeyin ışıktan hızlı gidemeyeceği üzerineydi. Tam da bu düşünce deneyi üzerine yıllar sonra 1980’lerin başında Fransız fizikçi Alain Aspect, gerçek bir deney gerçekleştirdi. Einstein’in düşünce deneyinde olduğu gibi birbiri ile dolaş(n)ık olan iki foton, doğası gereği ışık hızında hareket ederken onların bilgiyi nasıl paylaştıklarını test eden bir dizi deney gerçekleştirildi. Aspect’in bu deneylerinde bulduğu şeyler inanılmazdı! Aslında, tek bir fotonun ölçümü dolaşık oldukları diğer fotonun durumunu etkilemişti, anında! İşte bu deney sonrasında, Einstein’ın “uzak mesafeden hayaletimsi etki” olarak alaycı bir ifadeyle adlandırdığı durum aslında bir kuantum mekaniksel bir gerçek olarak karşımıza çıkıyordu.

Aspect’in bu deneyi ile birlikte dünya üzerindeki birçok bilim insanı kuantum dolanıklığın mümkün uygulamaları ve etkilerini keşfetmeye devam ettiler. Yakın geçmişimizde ise 2010 yılının Mayıs ayında, Çinli bilim insanları 10 mil yani 16 kilometrelik bir uzaklıkta bilginin kuantum ışınlanmasını başardılar. Bir bilgiyi aynı anda 16 kilometre uzağa iletmeyi başardılar demek daha doğru olur ve işte, “kuantum ışınlanma”! 2011 yılının Ocak ayında ise

İnsanlar için olmasa bile bilginin kilometrelerce uzağa

Avustralya Queensland Üniversitesi

ışınlanması gerçek.

fizikçilerinden T. Ralph ve S. J. Olson zaman boyunca bilginin kuantum ışınlanmasını destekleyecek matematiği türettiler. Bunun anlamı, geçmişten geleceğe bilginin kuantum ışınlanmasının böylece teorik olarak ortaya konmasıdır. Oxford Üniversitesi’nden uluslararası bir araştırma ekibinin liderliğini yapan S. Simmons ve J. Morton’un Nature dergisinin 19 Ocak 2011 sayısında yayınladıkları çalışmalarında kristalize olmuş silikon ortamı içinde 10 milyar dolanık fosfor çifti üretebildiklerini bildirdiler. Silikonun geleneksel bilgisayarlarda yaygın olarak kullanımı göz önüne alındığında bu başarı bir katıhal ya da silikon temelli kuantum bilgi işlemcisinin hatta kuantum bilgisayarın geliştirilmesinde önemli bir adım olarak birçok bilim insanı tarafından kabul edilmektedir.

Kuantum Dolanıklığı Daha İyi Anlamak…

Şimdiye kadar kuantum dolanıklığın kuantum mekaniğinin tuhaf bir özelliği olduğunu ve birbirleri ile dolanık yani birbirine bağlı çift parçacıkların aralarındaki mesafe ne kadar uzak olursa olsun birbirlerinin durumlarını etkileyebileceğini ya da biz insanoğlunun sadece çift parçacıklarından birinin durumunu bilerek diğerinin durumu hakkında bilgi sahibi olabileceğimizi gördük. Burada bahsettiğimiz durumun ise ilgili parçacıklardan birinin konumu, momentumu, spini, polarizasyonu gibi fiziksel özellikler olduğunu ve bu parçacıklardan birinin örneğin momentumunu bildiğimizde/ölçtüğümüzde aslında diğer parçacığın da momentum bilgisine sahip olabileceğimizi de artık biliyoruz. Hatta bunların deneysel olarak da 1980’lerde ilk kez gerçekleştirildiğini de öğrendik. Bu bilgilerin ışığında yine matematiksel ifadeler kullanmadan kuantum dolanıklık kavramını detaylandırmak bazı çevrelerin yanlış yorumlarının önüne geçebilmek adına önemli olduğunu da düşünüyorum. Bu noktada Fârabi’nin de söylemiş olduğu gibi önce doğruyu bilmek gerek: “Önce doğruyu bilmek gerekir. Doğru bilinirse yanlış da bilinir, ama önce yanlış bilinirse, doğruya ulaşılamaz.”. Fakat, doğruyu bilmek de sindirerek ve biraz daha detaylandırarak/örneklendirerek olabilir.

Felsefeyi geçtikten sonra kuantum dolanıklığın kuantum sistemlerin çeşitli türlerdeki fiziksel etkileşimler aracılığıyla dolaşık yani birbirine bağlı hâle gelmesidir diye kısaca hatırlayalım. Eğer dolaşık olma durumu söz konusu ise, bir cisim/parçacık diğer bir cisim/parçacık dikkate alınmadan tam olarak tanımlanamaz. Onlar bir kuantum süperpozisyon hâlindedirler ve bir ölçüm yapılana dek tek bir kuantum durumunu paylaşırlar.

Atom altı parçacıklar diğer parçacıklara bozunduğunda bir dolanıklık örneği oluşur. Böyle bozunma olayları, değişik korunum yasalarına uymaktadır. Bu korunum yasalarından biri de parçacıkların spin özellikleri ile ilgilidir. Buna ilişkin olarak, bazı özel kuantum durumlarında parçacık çiftleri oluşabilir. Örneğin, biri spin yukarı diğeri spin aşağı olmak üzere her zaman birbirinden karşıt spine sahip olmak zorunda olan iki parçacığın dolanık hâlde olmaları durumunda bu parçacıklardan birinin spin durumu diğerinin de spin durumunu doğrudan etkiler. Dolayısıyla bu tür parçacıklardan birinin spin durumu spin aşağı ise diğeri muhakkak spin yukarı olmalıdır.

Bu örneği biraz daha açıklayalım. Gözlem yapan iki deneycimiz olsun: Yağmur ve Yusuf. Bu iki deneycimiz bir dolanık çifti özelliğine sahip parçacıklardan birine sahip olsunlar. Yağmur kendi parçacığının spin durumunu ölçer, ölçümü tamamen belirsiz olacaktır. Ölçümü %50 olasılıkla spin aşağı veya yukarı olarak sonuçlanacaktır. Fakat hemen ardından Yusuf, kendi parçacığın spin durumunu ölçerse her ikisi için de ölçüm tamamen tahmin edilebilir yani bilinir olacaktır. Sonuç olarak Yusuf’un ölçümü her zaman Yağmur’un parçacığına zıt olacaktır ve bu nedenle parçacıklar arasında mükemmel bir karşıt-bağıntı söz konusudur.

Parçacıkların spin özelliği kuantum dünyasına ait bir özellik ve kuantum dolanıklığını daha iyi anlamak adına bu örneği klasik dünya ile benzeştirerek tekrar ele alalım. Bu örneği klasik dünyada benzer bir şekilde ele almak için bir madeni paraya ihtiyacımız var. Bu madeni paraya dik bir şekilde çevresi boyunca dilimlediğimizde iki yarım madeni paramız olur. Bu yarım madeni paralardan birinde sadece tura diğerinde ise sadece yazı kısmı vardır. Bu her bir yarım madeni para ayrı bir zarfa koyulur ve sırasıyla gözlem yapan iki deneycimiz Yağmur ve Yusuf’a rastgele bir şekilde dağıtılır. Eğer Yağmur kendi yarım madeni parasını ölçerse yani kendi zarfını açarsa onun ölçümü için %50 olasılıkla ya tura ya da yazı olması gerekir: belirsizdir. Yusuf ise kendi zarfını açıp yarım madeni parasını ölçtüğünde Yağmur’un yarım madeni parasına zıt bir şekilde yazı ya da tura bulacaktır. Aslında Yusuf da Yağmur gibi %50 olasılıkla ya yazı ya da tura olarak ölçümün sonucunu bulur ama işte kuantum dolanıklık gereği birbiri ile dolaşık olan bir sistemde ikinci ölçüm yapıldığı anda ilk ölçümün zıttı ya da ilgili bağıntının karşılığı bir sonuç bulunmalı. Bu da ilk başta Yağmur yazı olarak ölçtüyse Yusuf’un da tura olarak ölçümün sonucunu bulacağı anlamına gelir. Burada da mükemmel bir karşıt-bağıntı görülmekte ve iki zarf içinde bulunan yarım madeni paraların bu deneyde birbirlerini etkilediği açıkça görülmektedir. Elbette ki bu klasik dünya için kuantum dünyasını anlamak adına basit bir benzeştirme idi. Klasik fizikte yani makro ölçekte bu türden bir dolanıklığı beklemek söz konusu değildir. Bunu da Bell Eşitsizlikleri ile açıklamak mümkündür ama ben bu yazımızı daha fazla uzatmamak adına bu kısma değinmeyeceğim.

Dolanıklığı Oluşturma Yöntemleri

Dolanıklık için az önce de söylediğimiz gibi atom altı parçacıklar arasındaki etkileşmelerle oluşturulur. Böyle etkileşmelerin sayısız şekilde olabileceğini de söyleyebiliriz. Diğer taraftan en yaygın kullanılan yöntemlerden biri polarizasyonda dolanık bir foton çifti üreten kendiliğinden parametrik aşağı-dönüştürme yöntemidir.

Dolanıklığın Uygulamaları

Dolanıklık kuantum bilgi teorisi içerisinde çok sayıda uygulamaya sahiptir. Dolanıklık sayesinde, olması imkânsız gibi görünen birçok şey başarılabilir. Kuantum dolanıklığın en bilinen uygulamaları arasında süperyoğun kodlama ve kuantum ışınlanma vardır. Kuantum dolanıklığın bir kuantum bilgisayarın işleyişi için hayati bir öneme sahip olduğunu tüm bilim insanları kabul etmese de kuantum bilgi işlemci yönünde bilimsel araştırmalar hızla artmaktadır. Diğer yandan kuantum dolanıklığı kuantum şifrelemenin bazı protokollerinde kullanılmasına dair bilimsel çalışmalar daha önce yapıldı. Kuantum Alan Teorisi’nin Reeh-Schlieder teoremi de kimi zaman kuantum dolanıklığının bir analojisi olarak da görülmektedir.

Görüldüğü üzere kuantum dolanıklık kuantum ışınlanma, kuantum şifreleme ile iletişim ve hesaplama için yapılan araştırmaların odağında bir kaynak olarak kullanılmaktadır.

Evet! Bizim aynı kaderi paylaştığını düşündüğümüz parçacıkları açıklayan kuantum dolanıklık gelecekte bize neler getirecek kim bilir? Fakat, şüphesiz aynı kaderi paylaşan bu tür kuantum sistemleri ile insanoğlu kendi geleceğini değiştirmeye devam edecek…

Kuark.org - Gökhan Atmaca

Hepsini okuyamadım ama konu çok güzel olmuş.Paylaştığın için teşekkürler:)

İlk duyduğumda bana saçma gelmişti. Ama gündelik hayattaki mantığın kuantum fiziğinde işlemediğini bir kere daha hatırlattı bana

Schrödinger’in kedisi denklemi nedir? Kuantum süperpozisyon düşünce deneyi olan Schrödinger’in kedisi ne anlatıyor? Kuantum mekaniği atom altı parçacıkların tuhaf dünyasında neler oluyor? Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger (1887-1961), atom altı dünyasında neler olduğunu sorgulayan bir düşünce deneyi tanımlamıştır. Hazırsanız kuantum dünyasında sonsuz olasılıkları incelemeye başlıyoruz.

mekanikte bildiğimiz ve gözlemlediğimiz şey, tüm parçacıkların her anki konumları ve momentumlarıdır.

Fiziksel bir sistem, gözlemlenebildiği olası durumlar kümesiyle tanımlanır. Örneğin, bir elektron ya yukarı dönüş durumunda ya da aşağı dönüş durumunda gözlemlenebilir. Ancak hiçbir zaman ikisinin bir kombinasyonu olamaz. Benzer şekilde, radyoaktif bozunmada yayılan bir parçacığın ya yayıldığı ya da yayılmadığı, hiçbir zaman kısmen yayılmadığı gözlemlenir. Ancak aynı yöntemlerle hazırlanan parçacıkların her zaman aynı duruma sahip oldukları gözlemlenmeyecektir. ( Kaynak: Kuantum Mekaniğinde Mevcut Durum.  Amerikan Felsefe Derneği Tutanakları, Mart 2016 )

schrödinger'in kedisi deneyi
schrödinger’in kedisi

Özdeş uranyum atomları rastgele zamanlarda bozunur veya bozunmaz, ancak daha fazla zaman geçtikçe atomun bozunma olasılığı artar. Sistemin durumu, bozulma olasılığı daha yüksek olacak şekilde değişecektir. Newton’un ikinci hareket yasası klasik mekanik için neyse, Schrödinger’in kedisi denklemi de kuantum mekaniği için odur: fiziksel bir sistemin, diyelim belirli kuvvetlere tabi bir grup parçacığın zamanla nasıl değişeceğini tanımlar.

İşte tipik bir ders kitabı sorusu: Arabanızın benzini bitti. Belirli bir hıza hızlandırmak için ne kadar kuvvetle itmeniz gerekir?

Kuantum deneyi: Schrödinger’in kedisi denklemi
Bir atomun çekirdeğinin yörüngesindeki elektronlar üzerinde düşünmeye başladığınızda, işler gerçekten çok garipleşir ve Newton yasaları artık geçerli değildir. Bu küçücük dünyayı tanımlamak için, yirminci yüzyılın başında geliştirilen bir teori olan kuantum mekaniğine ihtiyacımız var. Newton’un ikinci yasasının analoğu olan bu teorinin çekirdek denklemine Schrödinger’in kedisi denklemi denir.

Bir atom altı parçacık için tüm bilgiler bir dalga fonksiyonu içinde kodlanmıştır. Atom altı parçacığın dalga fonksiyonu Schrödinger’in kedisi denklemi kullanılarak tahmin edilebilir, çözülebilir. Schrödinger denklemi, lisans fiziğinde tanıtılan temel aksiyomlardan biridir.  Nobel ödüllü Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger, bir kuantum paradoksunu keşfetmiştir ve bu nedenle Nobel fizik ödülü ile onurlandırılmıştır. Kuantum teorisyenleri mikroskobik düzeyde maddenin doğası ve davranışı hakkında doğru olarak kabul ettikleri ile makroskopik düzeyde ortalama bir insanın doğru olarak gözlemledikleri arasında bir paradoks vardır. 1935 yılında Erwin Schrödinger, kendi adıyla anılacak olan Schrödinger’in Kedisi Denklemi isimli bir zihinsel deneyi yaratmış. ( Kaynak: Gasiorowicz, S. (2019). Kuantum Fiziği )

Schrödinger Kedisi Denklemi