Kuantum fiziğinde yeni bir rekor kırıldı. 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 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…
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 hâlâ kuantum bilgisayarlara geçemememizin sebebi süperpozisyon durumunun sabit bir şekilde tutulmasındaki zorluktan kaynaklanıyor.
Kuantum bilgisayarların temel parçası olan kübitlerin süperpozisyon durumunda kalabilmesi için mutlak sıfıra ihtiyaç vardır ki bu da -273 derecelik bir ortamı gerektiriyor. Bu ortamı sağlayabilmek için Antarktika’da olmadığımıza göre bilim insanlarının sofistike soğutma sistemleri kullanması gerekiyor ve bu sistemleri kurabilmek hem karmaşık hem de pahalı.
23 dakika süperpozisyonda kaldı
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.
