Fizikte kuantum seviyesine, yani doğanın izin verdiği en küçük enerji birimleri seviyesine indiğinizde, bizim gündelik hayatımızda karşımıza çıkan şeylere hiç benzemeyen bir takım fenomenlerle, hatta insanın aklını çıkaran şeylerle karşı karşıya kalıyoruz.
Bunun başlıca sebebi, bizim kuantum seviyesindeki olayları doğrudan gözlememizin imkansız olması. Çünkü gözleme kalktığınızda, gözlem için kullanacağınız deney aletlerinin tamamı da aynı kuantum seviyesinde olacak ve gözlemek istediğiniz şeyi çarpıtacak.
O yüzden kuantum seviyesindeki olayları bilebilmek için bazı tahmin araçları kullanıyoruz. Bunların en önemlisi, ‘kuantum dalga fonksiyonu denklemi’ denen matematiksel modeller. Bu matematiksel modelleri bundan 100 yıl önce iki fizikçi, Alman Werner Heisenberg ile Avusturyalı Erwin Schrödinger birbirlerinden bağımsız olarak geliştirdi.
Bu modellerin kaçınılmaz kıldığı bir şey var: Kuantum seviyesindeki şeyleri biz ancak bakarsak görebiliyoruz; biz onlara bakmazken onların nerede ve ne durumda olduklarını bilemiyoruz. Oysa gündelik hayatımızda bu böyle değil. Örneğin Dünyamızın uydusu Ay’ın biz bakmasak bile her an nerede olduğunu biliyoruz.
Kuantum seviyesindeki şeylerin biz bakmazkenki durumlarını bilebilmek için kullandığımız tahmin araçları olan matematiksel modeller kaçınılmaz olarak karşımıza birden fazla ihtimal çıkarıyor. Peki bu ihtimallerden hangisi ‘gerçek’? İşte onu ancak bakınca biliyoruz. Bakmazken bütün ihtimallerin gerçek olacağını varsayıyoruz. Buna da ‘kuantum süperpozisyonu’ adı veriliyor.
Daha ilginci şu: Bu ‘kuantum süperpozisyonu’ sadece bir dizi soyut ihtimalin sıralanması anlamına gelmiyor. Bir süre önce bilim gösterdi ki, ‘süperpozisyon’ yani bir kuantum nesnesinin aynı anda birden fazla halde bulunması kendi başına bir ‘gerçek’.
Şimdi bu ‘gerçek’ ile ilgili yeni bir rekor kırıldı ve sözünü ettiğimiz kavranması zor ‘gerçek’ oldukça uzun süre boyunca gözlendi. Henüz hakemli bir dergide yayınlanmamış bilimsel makalelere yer ver arXiv’de yer alan bir makaleye göre Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’ndeki araştırmacılar atomları 23 dakika boyunca süperpozisyon durumunda gözlemledi. Atomları süperpozisyon halinde bu kadar uzun süre sabit tutabilmek kuantum cihazlarını daha dayanıklı hale getirmenin yolu olabilir.
Bir elektron ya fotonun, yani kuantum seviyesindeki nesnelerin aynı anda birden fazla durumda olabilme özelliğine kuantum süperpozisyonu deniyor. Basit bir örnek üstünden gidelim. Madeni parayı fırlattığınızda iki seçenek vardır, ya yazı ya tura gelecektir. En azından bildiğimiz dünyada işler böyle işliyor. Ancak kuantum dünyasında o madeni para havaya fırlatıldığında hem yazı hem de tura gelme ihtimali geçerlidir. Tura ya da yazı gelecek demek spekülasyondan öteye gidemez; madeni para yere düşüp de hangisinin geldiğini görene kadar. İşte kuantum süperpozisyonu madeni paranın havaya fırlatıldığı ve ne geleceğini bilemediğimiz, bu yüzden aynı anda her ikisinin de olabileceği o andır.
Schrödinger’in kedisi
Süperpozisyonun Schrödinger’in ünlü kedi paradoksuyla açıklanmasına da denk gelmiş olabilirsiniz. Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger’in kuantum mekaniğinin tuhaflıklarını göstermek amacıyla ortaya attığı düşünce deneyi esasında şöyle: Bir kediyi, radyoaktif atomu, radyasyonu tespit eden Geiger sayacını, bir şişe zehri bir kutuya koyduğumuzu düşünelim. Kutunun içindeki radyoaktif atomun belli bir süre içinde bozunma olasılığı yüzde 50’dir. Atom bozunursa Geiger sayacı bunu algılar ve devreye giren mekanizmayla zehir şişesi kırılır, böylece kedi de ölmüş olur. Ancak atomun bozunmadığı ihtimalde kedi de hayatta kalır.
Kutuyu henüz açmamış gözlemci kedinin akıbetini bilemez. Kuantum mekaniği prensiplerine göre radyoaktif atom hem bozunmuş hem de bozunmamış haldeyken, yani süperpozisyon durumundayken kedi de eşzamanlı olarak hem canlı hem de ölü durumdadır. Ancak kutuyu açıp baktığımızda kedinin akıbetini öğrenmiş oluruz.
Nerede o kuantum bilgisayarlar…
Peki kuantum seviyesindeki fiziğin bize söylediği birden fazla gerçeklik olma durumu kafamızı karıştırmaktan başka ne işe yarıyor? Fizikçiler, bizim gündelik hayat deneyimimizle taban tabana ters olan bu durumdan bir fayda çıkarmayı başardılar. Bu faydanın adı ‘kuantum bilgisayar.’
Sıradan bir bilgisayarda milyarlarca transistör bulunuyor ama her bir transistör içinden elektrik akımını ya geçiren ya da geçirmeyen bir çeşit elektrik düğmesi görevini görüyor. Yani ya 0 ya 1.
Ama kuantum bilgisayar, işte fiziğin kuantum seviyesindeki bu ilginç durum sayesinde ya 0 ya 1 değil aynı anda hem 0 hem de 1 konumunda olabiliyor. Böylece bilgisayarınızdaki tek bir transistörün kapasitesi birden bire ikiye katlanıyor. Transistör sayınız arttıkça, kuantum bilgisayar ile normal bilgisayar arasındaki fark dehşet verici düzeyde artıyor. O yüzden normal bilgisayarda bir transistörün işlediği bilgiye ‘bit’ deniyor, kuantum bilgisayarda ise ‘Qubit’ adı veriliyor. Qubit sayısı arttıkça kuantum bilgisayarın gücü muazzam derecede artıyor.
Hani bugün “Kuantum bilgisayarlara geçersek her şey çok daha hızlanacak” diyoruz ya, bunun sebebi tam da bu ilke. Kuantum bilgisayarlar birden çok işlemi aynı anda yapabilme yeteneğine sahip olduğu için klasik bilgisayarlardan çok daha hızlı hesaplama yapabilir.
Bugün dünyada çalışır durumda bazı kuantum bilgisayarlar var ama bunlar henüz dünyanın en hızlı klasik bilgisayarının hızını geçebilmiş değil. Bunun sebebi, bilimin henüz az önce anlattığımız kuantum süper pozisyonunu yeterince uzun süre sabit tutmayı başaramamış olması.
Kuantum bilgisayarların temel parçası olan kübitlerin süperpozisyon durumunda kalabilmesi için ortam sıcaklığının ‘mutlak sıfır’ adı verilen doğanın izin verdiği en düşük sıcaklığa yakın sıcaklıklara inmesi gerekiyor. Ki bu da -273 derecelik bir ortamı gerektiriyor. Bu ortamı sağlayabilmek için bilim insanlarının sofistike soğutma sistemleri kullanması gerekiyor ve bu sistemleri kurabilmek hem karmaşık hem de pahalı.
Neden ortamı bu kadar soğutmak gerekiyor sorusunun cevabı kuantum fiziğinde değil, Albert Einstein’ın genel görelilik teorisinde gizli. Ortam soğudukça, yani enerji miktarı azaldıkça atomların ve atomları oluşturan kuantum seviyesindeki temel parçacıkların hızı da yavaşlıyor ister istemez. İşte bu yavaşlık, bilimin kuantum seviyesindeki varlıkları kontrol etmesini kolaylaştırıyor.
Teorik olarak mutlak sıfıra inildiğinde bütün hareketin de durması lazım. Mutlak sıfıra inildiğinde ‘zaman’ da duruyor. Bilim tarihinde birkaç kez mutlak sıfıra kadar inilebildi ama bu sürdürülemedi.
23 dakika süperpozisyonda kaldı
Biz geri dönelim kuantum süper pozisyonuna.
Araştırmacılar yıllardır süperpozisyon durumundaki küçük nesneleri tespit edebildi. Ancak bu deneylerdeki cisimler hep kararsız haldeydi, dolayısıyla süperpozisyon durumları da son derece kısa sürüyordu. Yeni çalışmadaysa fizikçi Zheng Tian Lu öncülüğündeki Çinli araştırmacılar süperpozisyonu sürdürmek için ışığa hapsolmuş atomlar kullandı.
Buna göre deneyde kullanılan 10 bin kadar iterbiyum atomu mutlak sıfırın birkaç binde biri kadar soğutuldu ve lazer ışığının elektromanyetik kuvvetiyle hapsedildi. Bu koşullar altında atomların kuantum durumları çok daha hassas bir şekilde kontrol altında tutulabiliyor. Bu sayede her atomu iki farklı spinde süperpozisyon haline getirebilmişler.
Normalde çevresel faktörlerden kaynaklanan bozucu etkenler atomları saniyeler, hatta milisaniyeler içinde tek bir duruma çökertebilirdi. Ancak araştırmacılar lazerleri çok hassas bir şekilde ayarlayarak süperpozisyonu 1400 saniye, yani 23 dakika koruyabildi. Sizin için bu süre bir bölüm sitcom izlemekle eşdeğer olabilir ancak kuantum dünyasında olağanüstü derece uzun kabul edildiğini söyleyelim. Hiperaktif bir çocuğu 23 dakika aynı pozisyonda hareketsiz bir şekilde tutabildiğinizi düşünebiliyor musunuz? Bu tam da o hesap.
