Nobel Ödülüyle Adını Duyduğumuz Kuantum Dolanıklık Nedir?

Bir zamanlar genç ve adı duyulmamış bir araştırmacıyken Alain Aspect, Einstein’ın hatalı olduğunu kanıtlamaya çalışırken kariyeriyle kumar oynadığının farkındaydı. Planladığı deneyi duyan ünlü bir bilim insanı şöyle demişti: “Çok cesur bir öğrenci olmalısın.”

Ancak günümüzde bu Fransız fizikçi, akademik dünyada bir yıldız haline geldi ve adını John F. Clauser ve Anton Zeilinger ile birlikte 2022 Nobel Fizik Ödülünü kazanarak bilim tarihine yazdırdı. Onlar, günümüzde çoğu bilim insanının yan etkilerini anlamakta zorlandığı, kuantum aleminde karşımıza çıkan tuhaf fenomenlerden birinin kanıtlarını keşfettiler: Kuantum dolanıklık.

Bağımsız olarak çalışan üç araştırmacının her biri kuantum dolanıklığı gösteren yeni deneyler yaptı.

Kuantum Dolanıklık Nedir?

Kuantum dolanıklık atom altı parçacıkların dünyasında gerçekleşir. İki veya daha fazla parçacık belirli bir şekilde birleştiğinde, uzayda ne kadar uzakta olurlarsa olsunlar, durumları birbirine bağlı kalır. Bu, ortak, birleşik bir kuantum durumunu paylaştıkları anlamına gelir.

Bir parçacığa bir şey yaptığınızda, dolanık olduğu eşi anında etkilenecektir. Böylece parçacıklardan birini inceleyerek, aralarındaki mesafeye bakılmaksızın, diğer parçacık hakkında bilgi sahibi olabiliriz. Bu parçacıklardan birine yapılacak herhangi bir değişiklik, dolanık sistemdeki diğerlerini de etkiler.

kuantum dolanıklık
Konum, momentum, dönüş ve polarizasyon gibi fiziksel özellikler, birbirinden kilometrelerce uzakta olsalar bile, dolanık parçacıklar arasında mükemmel bir şekilde ilişkilidir. Temel olarak, dolaşık parçacıklardan birini incelerseniz bağlantılı parçacıklar hakkında da bilgi edineceksiniz.

Bu fenomen, modern kuantum teknolojilerinin temel bir yönüdür. Ancak o kadar mantıksız ki, Einstein bile bu durumu “uzaktan ürkütücü eylem” olarak isimlendirecekti. Sonucunda yaşamlarımızdan bildiğimiz her şeye göre kuantum dolanıklığı mevcut olmamalıdır. Bununla birlikte, kuantum mekaniğinin yasaları, bize normal görünen şeylere genellikle meydan okur.

Kuantum Dolanıklık Fikrini Kim Keşfetti?

Fizikçiler, 20. yüzyılın ilk on yıllarında kuantum dünyasının mekaniği üzerinde çalıştılar. Bu esnada da dolanıklığın arkasındaki temel fikirleri geliştirdiler. Bu fenomeni tahmin etmek ve açıklamak, onlarca yıl süren devasa bir görevdi. Sonucunda atom altı sistemleri doğru bir şekilde tanımlamak için kuantum durumu denilen bir şeyi kullanmaları gerektiğini buldular.

Kuantum durumu, kuantum mekaniğinde, izole edilmiş bir kuantum sistemini ifade etmek için kullanılan terimdir. Bir kuantum durumu, her bir gözlemlenebilir değer için birer olasılık dağılımı sağlar. “Dolanıklık” kelimesini kullanan ilk fizikçi, kuantum mekaniğinin kurucularından Erwin Schrödinger’dir. Avusturyalı fizikçi bu fenomenle karşı karşıya kalan bir kedinin aynı anda nasıl hem canlı hem de ölü olabileceğini bizlere gösterdi.

Schrödinger’in Kedisi
Erwin Schrödinger ve kedisi

Kuantum dünyasında hiçbir şey kesin olarak bilinemez. Örneğin, bir atomdaki elektronun tam olarak nerede olduğunu asla bilemezsiniz. Sadece nerede olabileceklerini bilebilirsiniz. Kuantum durumu, bir parçacığın konumu veya açısal momentumu gibi belirli bir özelliğini ölçme olasılığını özetler. Örneğin, bir elektronun kuantum durumu, onu bulabileceğiniz tüm yerleri, elektronu bu yerlerde bulma olasılıklarıyla birlikte tanımlar.

Şu an bu bilgileri koşulsuz kabul ediyoruz. Ancak kuantum fiziğinin kendisi bir zamanlar şiddetli bilimsel tartışmalara neden olmuştu. 1930’larda, bir yanda Albert Einstein ile diğer yanda Niels Bohr ve Erwin Schrödinger arasında fizik tarihinin en önemli ve verimli çatışmalarından biri patlak verdi. 

Einstein, her şeyin temel düzeyde somut olması gerektiğine inanıyordu. Oysa ki kuantum mekaniğinin öncüleri, gerçekliğin belirsiz olabileceğini ve parçacıkların ölçülene kadar belirli özelliklere sahip olmadığını savunacaktı.

Einstein, kuantum mekaniğinin tüm hikayeyi anlatmadığını düşünüyordu. Bir yerlerde keşfedilmeyi bekleyen eksik bir şey mutlaka olmalıydı. Sonucunda konu hakkında gerekli bilgileri edindikten sonra bir düşünce deneyi yapmaya karar verdi. Ancak ironik bir şekilde bu deney kuantum dolanıklık fikrini doğrulayacaktı.

EPR Paradoksu Nedir?

1935’te, fizikçi meslektaşları Boris Podolsky ve Nathan Rosen ile birlikte Einstein bir makale yayınladı. Bu günümüzde adını, onu tasarlayan üç bilim insanının soyadlarının baş harflerinden alıyor. EPR deneyi daha da doğrusu EPR Paradoksu olarak biliniyor. Çalışma sonucunda vardıkları sonuç, İki parçacığın bir şekilde ilişkili olduğu zaman, bireysel kuantum durumlarını kaybettikleri ve bunun yerine tek, birleşik bir durumu paylaştıklarıydı.

Bunun bir paradoks olarak isimlendirilmesinin nedeni aslında deneyin kuantum teorisinin eksik olduğunun kanıtı için yapılmasıydı. Ancak deneyler, dolanık parçacıkların mesafeden bağımsız olarak birbirlerini etkilediğini defalarca doğruladı. Sonucunda da kuantum mekaniğinin temellerini sağlamlaştırdı. Ancak hala arka planlarda bir yerlerde fenomeni açıklaması gereken ve henüz keşfedemediğimiz bir durum olduğuna dair şüpheler vardı.

Kuantum Dolanıklığı Bell Testi İle Denemek

İrlandalı fizikçi John Bell,

Yaklaşık otuz yıl önce Einstein ve fizikçi meslektaşları Boris Podolsky ve Nathan Rosen tarafından önerilen bir kavramı genişleten Bell, 1964’te, eğer gizli değişkenler varsa, bunların varlıklarının, birden fazla dolanık parçacık çiftinin dikkatli ölçümleri yoluyla deneysel olarak çıkarsanabileceğini gösterdi. Kuantum dolanıklığının parçacıkların özelliklerini nasıl etkilediğini gösteren bir matematiksel denklem ortaya attı. Bu sayede de kuantum dünyasını gerçek dünya uygulamalarına açtı.

Nobel ödüllerine geri dönelim. 1969’da Clauser, kuantum dolanıklığı ölçmeyi içeren pratik bir Bell testini tasarlayan ilk kişiydi. 1972’de, Stuart Freedman ile birlikte deneyi gerçekleştirdi. Sonucunda fotonların fiziksel olarak ayrılmalarına rağmen uyum içinde hareket ettiğini doğruladı. Clauser’in çalışması dolanıklık durumunun arka planında, gizli değişkenlerin etkilerinin olmadığını gösterdi.

Bu özel fotoğraf, iki foton arasındaki dolanıklığı gösteriyor.

 Ama bazı boşluklar kaldı. Ve yaklaşık 10 yıl sonra sorunlar düzeltildi. Alain Aspect ve Fransa’daki Institut d’Optique Üniversitesinden meslektaşları sonunda dolanık ışık fotonlarını kullanarak EPR deneyini gerçekleştirdi. Parçacıklar gerçekten de birbirleri ile dolanık halde kalabiliyor ve özellikleri, atom altı dünyanın dışında da birbirleri ile bağlantılı olabiliyordu.

Sonraki süreçte Zeilinger ve meslektaşları, dolanık kuantum durumlarının kullanımını genişletti. 1997’de, kuantum ışınlanma adı verilen bir fenomeni bağımsız olarak gösteren iki araştırma grubundan biriydiler. Ödülün duyurulması sırasında Nobel Fizik Komitesi üyesi Eva Olsson, Aspect, Clauser ve Zeilinger’in çalışmalarının “başka bir dünyanın kapılarını açtığını” söylemişti. Gerçekten de haklıydı.

Kuantum Dolanıklık Ne İşe Yarar?

Akla gelen ilk uygulama, dolanık foton kaynaklarının kuantum kriptografi sistemlerinde kullanılması olacaktır. Bu senaryoda, bir gönderici ve bir alıcı, mesajlarını kodlamak için kullanabilecekleri, yalnızca kendileri tarafından bilinen özel anahtarlar oluşturmak için dolanık parçacıkları kullanır. Birisi özel anahtarları okumaya çalışırsa, dolanıklık bozulur. Sonucunda dolanık bir parçacığın ölçülmesi durumunu değiştirir. Bu, gönderici ve alıcının iletişimlerinin tehlikeye girdiğini bileceği anlamına gelir.

Dolanıklığın başka bir uygulaması, çok sayıda parçacığın birbirine dolandığı ve böylece bazı büyük, karmaşık sorunları çözmek için birlikte çalışmasına izin veren kuantum hesaplamadır. 



Kaynaklar ve ileri okumalar

Matematiksel

Sibel Çağlar

Merhabalar. Matematik öğretmeni olarak başladığım hayatıma 2016 yılında kurduğum matematiksel.org web sitesinde içerikler üreterek devam ediyorum. Matematiğin aydınlık yüzünü paylaşıyorum. Amacım matematiğin hayattan kopuk olmadığını kanıtlamaktı. Devamında ekip arkadaşlarımın da dahil olması ile kocaman bir aile olduk. Amacımıza da kısmen ulaştık. Yolumuz daha uzun ama kesinlikle çok keyifli.

Bu Yazılarımıza da Bakmanızı Öneririz