Kuantum Atlamaları Gözlemlemek ve Geri Çevirmek Üzerine

Published in

Düzensiz

6 min readJun 9, 2019

Hafta içinde sıklıkla popüler bilimsel paylaşım mecralarına düşen bir habere göre ‘kuantum atlamaların’ anlık olmadıklarını gözlemledik! Bununla Schrödinger’in kedisini kurtarmanın mümkün olduğunun belirtilmesi üzerine de (deneyin yapıldığı Yale üniversitesinin kendi haber paylaşım platformu sağolsun) bol ve şirin kedilerle dolu makaleler ortalıkta dolanmaya başladı. Peki orijinal makale aslında neyi söylüyor ve gerçekten Schrödinger’in kedisiyle bir ilgisi var mı?

Kuantum Atlamayı Yolun Yarısında Yakalamak ve Geri Çevirmek

Haberlere konu olan çalışma 3 Haziran 2019'da Nature’da yayınlanan “To catch and reverse a quantum jump mid-flight” makalesi. Dokuz yazarlı bu makalenin hem yazarlarının çoğunun çalıştığı, hem de deneysel süreçlerin gerçekleştirildiği yer Yale. Makalenin arXiv’a konulan ilk versiyonun tarihi 1 Mart 2018, 12 Şubat 2019'da konulan üçüncü versiyonuyla data ve içerik bakımından ciddi bir farkı bulunmadığı dikkat çekiyor (görseller açısından dikkat çekici farklar var). Dolayısıyla çalışmanın bir süredir ortalıkta olduğu, bol miktarda geri dönüş aldığı ve dataların da ‘makul’ talepleri olan kişilere en az bir buçuk senedir açık olduğunu görmek mümkün.

DATA AVAILABILITY — The data that support the findings of this study are available from the corresponding authors on reasonable request.

Aslında makalenin modern fizik namına çok ciddi bir iddiayla geldiğini söylemek doğru, kuantum fiziğindeki ‘kuantum atlama’ diye tabir edilen ve bir sistemin iki enerji seviyesi arasındaki geçişini tasvir eden durumun anlık mı yoksa belirli bir süreç içerisinde mi geliştiği sorusuna dair bir deney ortadaki. Kökeni Schrödinger ve Bohr’a kadar uzanan bir tartışmanın, iki farklı felsefi yaklaşımın karşılaştırılması. Kullanılan araç ise kuantum yörünge* teorisi (quantum trajectory theory).

Bu yaklaşımın 90'ların başında, eldeki makalenin de yazarlarından olan H.J. Carmichael’ın da içinde olduğu, bir grup fizikçi tarafından ölçüm yöntemlerinin modellenmeleri amacıyla geliştirildiğini söylemek yanlış olmaz (konuyla ilgili erken bir derleme için Wiseman, 1996). Temel aldığı soruysa aslında oldukça basit ve elzem; kuantum atlamaların olduğunu bildiğimiz bir dünyada zaman içerisinde evrilen bir sistemi sürekli olarak gözlüyor olsak ne görürdük? İşte makale tam olarak da bu konuyu ele alıyor.

*Türkçeleştirilmesi Sevil Altuğ’un 371878 No’lu tez özetinden alınmıştır.

Ne Yaptılar, Ne Gördüler

Ekip ‘süperiletken yapay atom’ denilen bir sistemi kullanarak üç farklı enerji seviyesi olan bir kuantum sistem yaratmış, bunlar aşağıda gördüğünüz |D>, |B> ve |G> seviyeleri. Kuantum sistemlerde enerji farkı olan iki sistem arası geçişte foton salınımı veya soğurulması olur. Eğer sistem daha düşük enerji seviyesine geçiyorsa ortama foton verir, eğer daha yüksek enerji seviyesine geçiyorsa ortamdan foton alır.

Sonraki adımda sistem bir kovuğa konulmuş, bu sayede belirli frekanslarda verilen ışığın kovuk içerisinde ileri geri sekerek sürekli bulunacağı bir ortamın mümkün kılınması sağlanmış. Kovuklar böylesi sistemlerde seçici rol oynayan yapılardır, o kovuk için uygun olan frekanstaki fotonların var olmasına izin verirken olmayanların sönümlenmesini sağlarlar (optik kovuklar lazerlerin de en temel öğeleri).

Bu kovuk |B> ve |G> enerji düzeyleri arasında geçiş yapabilmeyi mümkün kılacak fotonların enerji düzeyine göre ayarlanmış. Kovuğun içinde kaç foton olduğuna dair okumalar alınabilmesi de sağlanmış. Böylece aşağıdaki veriler elde edilmiş.

Burada mavi olan yerlerde foton yoğunluğunun fazla olduğu dikkat çekiyor, yani o zaman dilimlerinde enerji düzeyinin |G> ve |B> arasında gidip geldiğini görmek mümkün. Kırmızı olan yerlerdeyse foton yoğunluğu daha az, yani sistem kovukla uyumlu olmayan |D> enerji düzeyinde. Yani deneyin şu aşamasında |G>, |B> ve |D> düzeylerinin arasındaki geçişleri ekip tamamen gözlemleyebilir halde.

[Not düşmek gerekirse, buradaki düzeneğin yüksek sadakatte (fidelity) çalışabilmesi için harcanan emeğe saygı duymak gerekir. Tüm deneyin 15 miliKelvin’de yapıldığını belirtmekte de fayda var.]

Kedi Bunun Neresinde

Bu noktada araştırmacılar yukarıdaki şekilde t_catch olarak gösterilen zaman diliminin aslında sistemin |G> durumundan |D> durumuna geçiş öncesi bir ‘duraksama’ anı olduğunu fark ediyorlar.

Daha önce sistemin bir enerji durumundan diğerine geçerken foton alıp verdiğinden bahsetmiştik. |G> durumu en düşük enerji durumu olduğu için de |D> durumuna geçerken ortamdan aradaki enerji miktarına denk bir foton alması gerekiyor. Bunun sağlanması için araştırmacılar ortama bu enerji düzeyine uygun fotonlar da veriyorlar (sistem iki farklı rezonansta sürülüyor).

Peki ya ortamda bu enerji düzeyine geçecek foton olmasaydı bu dönüşüm hala gerçekleşir miydi? Aşağıdaki şekilde bu senaryoların irdelenip kuantum yörünge teorisinin kuramsal hesaplarıyla sistem üzerindeki tomografik ölçüm sonuçlarının (deney verilerinin) uyumu gösteriliyor. Çizgiler kuramsal simülasyonları noktalar ise deneysel verileri gösteriyor.

Sistemi süren frekansın ne kadar süre açık olduğuna göre kuantum atlamanın karakteristiği değişiyor olsa dahi bir kez süreç başladıktan sonra atlamanın gerçekleşeceği deterministik olarak gösteriliyor. Yani atlamanın ‘genel düzende’ ne zaman gerçekleşeceği olasılıksal olsa dahi atlamanın mekaniğinin deterministik olduğu bu deneysel verilerle iddia edilebiliyor. Yazarlar, Bohr’un da Schrödinger’in de kendilerince haklı olduğunu ortaya koyuyorlar!

Peki geri çevirme nasıl oluyor? Yazarlar bu noktada duraksamayı gözlemledikleri noktada sisteme atlamayı baskılayacak (90 derece fazlı) bir frekans veriyorlar. Bu sayede %83 başarıyla atlamayı baskılayabildiklerini, eğer 270 derece fazda verirlerse de %82 ihtimalle atlamanın devam ettiğini gösteriyorlar. Kontrol deneyi için rastgele zamanlarda bu frekansları uyguladıklarında sistemin ortalama davranışının bozulmadığını da göstererek ‘duraksama’ sonrası bu frekansları sağlamanın sistemde gerçek bir etkiye sebep olduğunun sağlamasını yapmış oluyorlar.

Toparlarsak

Ölmekte olan bir Schrödinger kedisini hayata döndüremeyecek olsa dahi bu deneysel çalışma aslında haberde iddia edilen pek çok şeyi gerçekten de sağlıyor. Elbette burada sağlanan her şeyin ‘çok spesifik’ ve özel olarak hazırlanmış bir süperiletken yapay atom üzerinde, 15 miliKelvin sıcaklığında, kontrollü bir deneysel ortamda gerçekleştirildiğini unutmamak gerekiyor. Yani hemen yarın kuantum diyarı üzerinde mutlak bir hakimiyet kuran teknolojik mucizeler karşımıza çıkamayacak.

Yine de uzun vadede böylesi bir yetiyi kazanabilmek insanlığa ciddi faydalar sağlayabilir. Daha iyi saat senkronizasyonu, daha yüksek çözünürlüklü kuantum sensörler, kuantum bilgisayım için etkili hata düzeltme kodları gibi kuantum bilişim alanından gelebilecek pek çok gelişmede bu deneyin bize sunduğu içgörü faydalı olacaktır.

Bunların hepsinin ötesinde, eğer bu deneysel (ve kuramsal) yaklaşım rahatça tekrarlanıp geniş kabul görebilirse kuantum mekaniğindeki Kopenhag Yorumu (sus ve hesapla) ciddi şekilde tekrardan tartışmaya açılabilir. Kopenhag Yorumunda kuantum atlamaların anlık olduğu temel bir varsayımdır, fakat kuantum yörünge yaklaşımında bu atlamalar deterministik bir süreci takip ediyorlar. Dolayısıyla, eğer bu deneyin bize gösterdiği şey gerçekse, kuantum atlamaların ‘esnası’ da fizikçiler için daha rahat fizik yapmaya uygun hale gelecek demektir. Bunun kuramsal yansımalarının ne olacağını ise bize ancak zaman gösterecektir.

Kuantum teknolojileri üzerine yazılarımız;

-Popüler Kuantum Muhabbeti (7 Haziran 2019 Muhabbet Kralı Programı)

-Kuantum Dolanıklık ve Güvenli İletişim

-QTurkeySoftware Network — İlk Toplantı ve Planlar

-Kuantum Programlamaya Giriş Atölyesinin Ardından: QTurkeySoftware ve Ötesi

-Mevcut Kuantum Programlama Dilleri Üzerine

-Kuantum Bilgisayarla Zaman Yolculuğu Mümkün mü?

-Duyuru: Kuantum Programlamaya Giriş Atölyesi

-Hangi Firmalar Kuantum Bilgisayar Yapıyor?

-Kuantum Teknolojilerinde Ticarileşme ve Türkiye’de Farkındalık Problemi

-Amerikan Ulusal Kuantum Girişimi

-Kuantum Amiral Gemisiyle Neler Fonlanıyor — 3