Bu hafta kuantuma doyduk: Kübitler, fononlar ve fotosentez

Uzun soluklu bayram tatili için kimileri bavullarını hazırladı, dokuz günlük bir tatile çıkıyor. Kimileri ise bu tatili evde dinlenerek geçirmeyi planlıyor. Hem yola çıkanlara hem de evde kalanlara 15 dakikalık bir bilim yolculuğu teklif ediyoruz. Üstelik bu yolculuğa Samanyolu’ndan kaçan yıldızlar ile başlıyoruz. Ardından kuantum bilgisayarlarda bu hafta art arda gerçekleşen gelişmelere göz atacağız. Yine kuantumdan çok uzaklaşmadan sesin en küçük parçasına ve fotosenteze yöneleceğiz. Yaşam için kritik öneme sahip fotosentezden insan için kritik bir sorun olan Alzheimer’a geçiş yapacak, oradan da başka bir rahatsızlık olan Viking hastalığının Neandartellerle ilişkisini irdeleyeceğiz. Haftayı zıplamak yerine yürümeyi tercih eden kangurularla kapatacağız.

Anlamlı bir hareket: Samanyolu’ndan depar atarak kaçan yıldızlar

Bir süpernovadan saniyede 1.130 kilometre hızla uzaklaşan J0002 adındaki pulsar. Fotoğraf: NASA

Astrofizikçiler başka bir yıldızın termonükleer patlamayla yok olmasından kaçan şimdiye kadarki en hızlı yıldızı tespit etti. Üstelik öyle az buz bir kaçış hikayesinden de bahsetmiyoruz. Bu yıldız, patlamadan kaçmak için Samanyolu’ndan galaksiler arası bir uzay yolculuğuna atılıverdi ve bunu yaparken de tek başına değildi. Henüz hakem denetiminden geçmemiş bir makaleye göre astrofizikçiler, J1235 olarak adlandırılan bir yıldızın, Samanyolu’ndan saniyede 1053 mil hızla geçtiğini, J0927 yıldızının ise kaçış sırasında saniyede 1420 mil hıza ulaştığını tespit etti. Harvard’da astrofizikçi Karim El-Bedri liderliğindeki araştırma ekibi, Avrupa Uzay Ajansı’nın Gaia araştırmasından elde edilen verileri inceledikten sonra Samanyolu’nda toplam altı yeni kaçak yıldız tespit etti. Bunlardan dördünün özel bir süpernova türünün sonucu olarak dışarı itildiği tahmin ediliyor. Astrofizikçiler Samanyolu’nda henüz keşfedemediğimiz daha birçok kaçak yıldızın olabileceğini öne sürüyor. Hatta henüz tespit edemediğimiz bu yıldızlar, bu çalışmada görülenlerden çok daha hızlı olabilir.

NASA, son 30 yılın deniz seviyesi yükselmesini görselleştirdi

Dünya ısındıkça ve küresel ısınma nedeniyle kutuplardaki buzullar hızla eridikçe dünya genelinde ortalama deniz seviyesi de yükseliyor. Bu durumun etkilerinin görüleceği ilk yerler kuşkusuz kıyı kentleri olacak. Birleşmiş Milletler Genel Sekreteri Antonio Guterres, şubat ayında yaptığı açıklamada dünya genelinde deniz seviyesinin yükselme hızının kitlesel göçe yol açabileceği konusunda uyarmıştı. Dünyayı ilgilendiren bu acil soruna örnek teşkil etmek üzere NASA’nın görselleştirme stüdyosu, son 30 yılda deniz seviyesindeki yükselmenin boyutlarını gösteren bir animasyon hazırladı. NASA, 1993 ile 2022 yılları arasında okyanusların ne kadar yükseldiğini görmemiz için bize batık bir lombozun perspektifini sunuyor. Cetvel üzerindeki mavi işaret de İklim Araştırmalarında Entegre Çok İşlevli Okyanus Altimetre verilerinin kesin ölçümlerini gösteriyor.

"Sea Level Through a Porthole" – new animation by @NASAViz at https://t.co/YADfJXlaq7

Learn more from @NASAClimate at https://t.co/kAiasdwZGl #ClimateChange pic.twitter.com/4X0c7ibKXa

— Zack Labe (@ZLabe) June 19, 2023

NASA, yaklaşık 3000 yıl öncesinden yaklaşık 100 yıl öncesine kadar deniz seviyelerinin doğal seyrinde yükseldiğini söylüyor. Son 100 yılda ise küresel sıcaklıklar yaklaşık bir derece arttı, deniz seviyesi bu ısınmaya yaklaşık 160 ila 210 mm ile karşılık verdi. Deniz seviyesindeki mevcut yükselme oranı, son birkaç bin yıldır görülmemiş bir seviyede.

Kuantum bilgisayarlarda yeni bir çağa girmiş olabiliriz

IBM’deki bilim insanları, kuantum işlemcilerin doğasında bulunan güvenilmezliği aşabilecekleri bir yöntem geliştirdiklerini ve kuantum bilgisayarları, geleneksel olanlar kadar pratik hale getirmek için uzun zamandır beklenen bir atılımı gerçekleştirdiklerini söylüyor. Ama biz bu konulara girmeden önce kuantum bilgisayarları hakkında kısa bir özet geçelim.

Bu bilgisayarlar temel olarak kuantum mekaniğinin iki ilkesinden faydalanıyor. Bunlardan ilki süperpozisyon, yani kuantum bitlerinin (kübit) aynı anda iki ayrı halde bulunabilmesi. İkincisi ise iki kübitin aynı anda aynı hali paylaşmasını mümkün kılan dolanıklık. Kübitler bu prensipleri sayesinde sadece bir ya da sıfır değerini alabilen normal bitlerin işlem gücüne rakip olabiliyor. Kulağa harika gelse de kuantum seviyesindeki parçacıklar belirsiz hallerde bulunuyor ve ortaya kuantum gürültüsü denen istenmeyen durumların da görülebildiği bir rastgelelik durumu çıkıyor. Mesela sıcaklıktaki hafif bir değişiklik, kübitin durum değiştirmesine ya da süperpozisyonunu kaybetmesine neden olabiliyor. Kuantum bilgisayardan etkin sonuçlar almanın anahtarı bu gürültüyü yönetebilmekten geçiyor.

IBM’in yeni çalışması da bu noktada devreye giriyor. Nature dergisinde yayımlanan çalışmaya göre şirketin araştırmacıları 127 kübitlik IBM Eagle işlemcisini kullanarak Ising modeli olarak bilinen ve 127 manyetik kuantum boyutlu parçacığın manyetik bir alandaki davranışını simüle eden bir işlem gerçekleştirdi. Bu gerçek dünyada bir değeri olan ancak günümüzde klasik bilgisayarların çözemeyeceği kadar karmaşık bir problem.

Araştırmacılar kuantum gürültüsünü azaltmak için ironik bir şekilde daha fazla gürültü eklediler ve ardından, bu gürültülerin işlemcinin devresinin her bir parçası ve modeller üzerindeki etkilerini belgelediler. Böylelikle hesaplamaların gürültü olmadan nasıl görüneceğini güvenilir bir şekilde tahmin edebiliyorlardı. Bu sürece ‘hata azaltma’ adını verdiler. Ancak can sıkıcı bir sorun vardı.

IBM kuantum işlemcisinin yaptığı hesaplamalar karmaşık bir ölçekte olduğu için aynı hesaplamaları yapan klasik bir bilgisayar da belirsizliklerle karşılaşacaktı. Diğer deneyler kuantum işlemcilerinin daha küçük ama oldukça karmaşık bir Ising modelini simüle ederken klasik bir işlemciden daha doğru sonuçlar ürettiğini gösterdiği için araştırmacılar hatadan arındırılmış bulgularının doğru olma ihtimalinin yüksek olduğunu söylüyor.

Bu pek çok şekilde ‘kuantumun üstünlüğü’ olarak yorumlansa da UC Berkeley fizikçilerinden Michael Zaletel, New York Times’a verdiği demeçte bulguların umut verici olmasına rağmen ‘kuantum üstünlüğüne ulaşıldığına dair açık bir göstergenin olmadığını’ söylüyor. IBM’deki bilim insanlarının hata azaltma tekniklerinin aynı problemi hesaplayan klasik bir işlemcide aynı, hatta daha iyi sonuçlar vermediğini doğrulamak için daha fazla deney yapması gerekiyor.

IBM, dünyanın en güçlü kuantum bilgisayarını yapmaya soyundu

Microsoft, kuantum bilgisayarları ileri taşıyacağını söylüyor ama bilim dünyası o kadar da emin değil

Microsoft araştırmacıları, kuantum bilgisayarların en büyük sorunlarından bazılarını çözebilecek karmaşık bir parçacığın izine rastladıklarını iddia ediyor ancak bazı uzmanlar bu keşiften o kadar da emin değil. Kübitlerin sorunundan yukarıda bahsetmiştik. Microsoft Quantum’dan Chetan Nayak, “Alanın ihtiyacı olan şey yeni bir kübit” diyor. Nayak ve meslektaşları, gerçek birer parçacık olmayan ancak elektronlar gibi parçacıklar bir araya geldiğinde ortaya çıkabilen kolektif titreşimler olan kuasipartiküllerden (sanki parçacık) kübit oluşturma yolunda önemli bir adım attıklarını söylüyor.

Kuasipartiküller Majorana sıfır modu olarak adlandırılıyor ve kendi antiparçacıkları gibi davranarak sıfıra eşit bir yük ve enerjiye sahip oluyorlar. Bu da onları bozulmaya karşı dirençli ve güvenilir kılsa da bulunmalarını epey zorlaştırıyor. Microsoft araştırmacıları ise geliştirdikleri cihazların Majorana sıfır modlarınınkine uygun davranışlar sergilediğini söylüyor.

Bilim dünyasını şüpheye düşüren ise Microsoft’un daha önce 2018 yılında da aynı iddiada bulunmuş olması. Pittsburgh Üniversitesi’nden Sergey Frolov ve ekibinin o dönem yarı iletken teldeki kusurların Majorana sıfır modlarıyla kolayca karıştırılabilecek kuantum etkileri üretebileceğini keşfedince, Nature dergisinde yayımlanan makale 2021 yılında geri çekilmişti. Frolov’a göre Majorona sıfır modlarını görebilmek için kullanılan telin çok uzun, çok düzgün ve tümseksiz bir yol gibi olması gerekiyor. Telde herhangi bir düzensizlik olması halinde elektronların bu kusurlara takılabileceğini ve Majorana sıfır modunu taklit eden kuantum halleri yaratabileceğini söylüyor.

Microsoft ekibi ise yeni deneyinde topolojik boşluk protokolü denilen karmaşık bir test kullandı. Bu testi geçebilmek için hem bir cihazın aynı anda telin her iki ucunda Majorana sıfır modlarının işaretlerini hem de elektronların özel bir süper iletkenliğin ortaya çıktığı enerji aralığında olduğunu göstermesi gerekiyor. Araştırmacılar bu protokolü denemeden önce tellerde sorun olup olmadığını görmek için yüzlerce bilgisayar simülasyonu yaptı. Nayak, topolojik boşluk protokolünü geçen cihazların, içinde gerçekten Majorana sıfır modu bulunmama olasılığının yüzde sekizden az olduğunu hesapladıklarını söylüyor.

Bilim dünyası Microsoft’un deneyine şüpheyle yaklaşmaya devam etse de Nayak’ın ekibi cihazı daha karmaşık ve kuantum bilgisayarına benzer hale getirmeyi amaçlıyor.

Bilim insanları kuantum mekaniğiyle sesin en küçük parçasını bölmeyi başardı

Bu hafta kuantum alanında yaşanan ve kuantum bilgisayarların ses tabanlı versiyonlarına vesile olabilecek bir başka girişim ise fizikçilerin sesin en küçük parçaları olan fononları bölmek için kuantum mekaniğine başvurması oldu.

Fononlarla ışığın en küçük parçaları olan fotonlar arasında pek çok ortak nokta var. Bir şarkının sesini kıstığınızda fonon sayısını da azaltmış olursunuz, tıpkı masa lambanızın parlaklığını azalttığınızda foton sayısının da azalması gibi. En kısık sesler bile tek tek fononlardan oluşuyor ve bu fononlar daha küçük parçalara bölünemiyor. Ancak kuantum mekaniği işin içine girince durum biraz değişiyor. Yeni bir deney, kuantum mekaniğiyle fononları geçici olarak parçalara ayrılabildi. Peki araştırmacılar bunu nasıl başardı?

Deney, mutlak sıfıra çok yakın sıcaklıklardaki bir cihazda, insanların duyabileceğinden milyonlarca kat daha yüksek bir ses perdesinde gerçekleştirildi. Ekip, sesi oluşturmak ve duymak için hoparlör ve mikrofon yerine kübitleri kullandı.

Science dergisinde yayımlanan çalışmaya göre ekip deneylerinde akustik ışın bölücü kullandı. Normalde akustik ısın bölücü, kendisine çarpan fonon selinin yarısının geçmesine izin verirken, geri kalanının yansımasına neden oluyor. Oysa bu deneyde tek bir fonon, ışık bölücüyle karşılaştığında söz konusu fonon aynı anda her iki yöne de gittiği özel bir kuantum durumuna girdi. Aynı anda hem yansıyan hem de geçiş yapan fonon, interferans olarak bilinen bu süreçte kendisiyle etkileşime girerek nihayetinde varacağı yeri değiştirdi.

Bu deneyden elde edilen sonuçlar, kübitlerin durumunu değiştirmek veya dönüştürmek amacıyla kullanılan kuantum kapılarının temelini oluşturabilir. Ses tabanlı cihazların fotonun kullanıldığı kuantum bilgisayarlardan daha iyi performans sergilemesine pek olası bakılmasa da araştırmacılar, fononların yeni kuantum uygulama alanları oluşturabileceğini düşünüyor.

Fotosentez süreci tek bir fotonla başlıyormuş

Bilim insanları uzun zamandır fotosentezin tek tek fotonlara ya da ışık parçacıklarına duyarlı olup olmadığından şüpheleniyordu. Çünkü güneş gündüzümüzü kaplasa da üzerimize aşırı miktarda foton yağdırmıyor. Güneşli bir günde her saniye bir klorofil molekülüne yaklaşık bin foton ulaşıyor. Bilim insanlarını da tek foton düşüncesine iten olay bu oldu. Araştırmacılar kuantum fiziğinin de yardımıyla tek bir ışık demetinin süreci başlattığını gördü. Nature’da yayımlanan çalışmada foton çifti kullanıldı. ‘Haberci’ olarak adlandırılan ilk foton, bir dedektör tarafından emilecek ve bu emilimle, ikinci fotonun fotosentetik bir bakteriden elde edilen klorofil moleküllerinden oluşan örneğe çarptığını doğrulayacaktı. Örneğin aktif hale geçmesi durumunda, şeker ve oksijen üretmek yerine farklı bir fotonu serbest bırakacak şekilde olması tasarlanmıştı. Sonuçtan emin olmak için süreci defalarca tekrarlayan araştırmacılar 17.7 milyar haberci foton üretti ve 1.6 milyon tek fotonun geçtiğini doğruladı. Lawrence Berkeley Laboratuvarı’ndan araştırmanın yazarlarından Graham Fleming, bu deneyin fotosenteze bakışımızı değiştireceğini söyleyerek, yeşil yakıtlar ve çok daha fazlası için bu bilgilerden faydalanabileceğini belirtti.

Bağırsak bakterileri Alzheimer teşhisinde kullanabilir

Bilim insanları bu zamana kadar genlerden tutun da dolaşım sorunlarına, iltihaplanmaya ve yaşam tarzına kadar Alzheimer riskini artıran bir dizi unsur bulmuştu. Washington Üniversitesi’nden araştırmacıların Science Translational Medicine dergisinde yayımlanan yeni çalışması, bu risk unsurları arasına bir yenisini daha ekledi: Bağırsaklarda yaşayan bakteri türleri. Buna göre bilim insanları, bağırsak bakteri popülasyonlarında yaşanan değişikliklerin, hastalığın gelişiminin erken bir göstergesi olabileceğini tespit etti. Bu değişimler, hafıza kaybı ve kafa karışıklığı gibi bilişsel gerilemenin ilk belirtilerinin ortaya çıkmasından yıllar önce başlayabiliyor.

Çalışmaya Alzheimer proteinleri amiloid ve tau açısından test edilen, yaşları 68 ila 94 arasında değişen 164 kişi katıldı. Bilim insanları topladığı dışkı örneklerini incelediğinde 49 preklinik (Alzheimer belirtileri göstermeyen ama zararlı proteinlerinde artış olanlar) Alzheimer hastasının bağırsaklarında bulunan bakterileri, amiloid ve tau konusunda sorun yaşamayan kişilerinkiyle karşılaştırdı. Alzheimer’ın preklinik aşamasındaki kişilerde protein birikiminde rol oynayan iki aminoasit olan arginin ve ornitini parçalamaya dahil olan bakteri popülasyonunun daha yüksek olduğu gözlemlenirken, preklinik Alzheimer’ı olmayanlarda nöronları koruyabilecek glutamat yıkımına dahil olan bakterilere daha çok rastlandı. Çalışmayı yürüten ekip, dışkı örneklerinin gelecekte Alzheimer hastalarının tespit edilmesinde önemli bir veri sağlayabileceğini söylüyor.

Meğer Viking hastalığı kısmen Neandertallerden mirasmış

Modern insanlar, muhtemelen 45 bin yıl önce Avrupa’da Neandertallerle karşılaştı. Şu anda soyu tükenmiş insansı kuzenlerimizle aramızda yaklaşık 21 bin 500 nesil olsa da Neandertaller arkalarında, bugün milyonlarca insanın muzdarip olduğu bir genetik hastalığı miras bıraktı. Molecular Biology and Evolution dergisinde yayımlanan bir çalışmada, bir grup araştırmacı, Neandertallerden miras kalan iki genetik varyantın, avuç içinde doku düğümlerini oluşturan ve zamanla büzülerek parmakları kalıcı olarak büken bir rahatsızlık olan Viking hastalığına yol açabildiğini ortaya koydu.

İsveç’teki Karolinska Enstitüsü ve Almanya’daki Max Planck Evrimsel Antropoloji Enstitüsü’nden Hugo Zeberg öncülüğündeki araştırma ekibi, Viking hastalığının kökenlerini araştırmak üzere Birleşik Krallık, Finlandiya ve ABD’deki biyobankalardan yüz binlerce veriyi analiz etti. Bu hastalıkla bağlantılı 61 gen varyantı tespit eden araştırmacılar, gen varyantlarının üçünün Neandertallerden geldiğini ve ikisinin de en önemli risk faktörleri arasında yer aldığını tespit etti.

Bütün kangurular zıplamıyordu

Şimdiye kadar yaşamış en büyük kanguru olan Procoptodon goliah’ın CGI modeli. Fotoğraf: Wikimedia

Avustralya’nın adeta maskotu olan kanguruların en ikonik fiziksel özellikleri yürümek yerine zıplamaları. Ancak yeni bir çalışma, geçmişte bazı kanguruların hiç zıplamamış olabileceğini öne sürüyor. Alcheringa: An Australasian Journal of Palaeontology dergisinde yayımlanan çalışmada araştırmacılar, kanguruların ve akrabalarının son 25 milyon yıllık fosillerini inceledi. Çalışmayı yürüten Bristol Üniversitesi ekibi, Miyosen döneminin sonlarında ortaya çıkan 20 kilonun üzerindeki büyük kangurular arasında çeşitli hareket adaptasyonları olduğunu buldu. Soyu tükenen kısa yüzlü kangurular (sthenurines) iki ayakları üzerinde yürümüş, soyu tükenmiş dev kangurular (protemnodonlar) genellikle dört bacakları üzerinde hareket etmiş. Bizim bugün gördüğümüz kanguruların ataları ise zıplamada uzmanlaşmış.

Haftaya yeniden görüşene kadar önerilerinizi, eleştirilerinizi ve görüşlerinizi beyzatopcu@10haber.net’e gönderebilirsiniz.