Fotonik Bilgisayar ve Işığı Maddeye Çeviren Adam

fotonik-fotonik_bilgisayar-foton-kuantum_bilgisayar-kuantumChicago Üniversitesi’nden Jonathan Simon ışığı maddeye dönüştüren fotonik kuantum bilgisayar geliştirmek istiyor. Bugünkü optik bilgisayar prototiplerinden bile daha hızlı olan fotonik bilgisayarlar mevcut internet şifrelerini kırabilecek. Bu da Uzay Yolu dizisindeki holografik simülasyon teknolojisinin önünü açacak. Peki ışığı maddeye dönüştüren fotonik bilgisayar nasıl çalışıyor?

Önce kuantum bilgisayara bakalım

Bugün dünyada iki tür elektronik bilgisayar var: Kucağımıza koyduğumuz laptoplar gibi klasik bilgisayarlar ve kuantum bilgisayarlar. Kuantum bilgisayarların nasıl çalıştığını kuantum bilgisayar devrimi ve kuantum internet gizlilik ve şifrenizi nasıl koruyacak yazılarında anlattım.

Burada özet geçerek kuantum bilgisayarların daha çok hangi alanlarda kullanılacağını ve fotonik bilgisayarla ilişkisini anlatacağım:

Kuantum bilgisayarlar klasik bilgisayar gibi seri değil, paralel işlem yapıyor; yani tek çekirdekli işlemciyle aynı anda binlerce işlem yapabilecek kapasitede bulunuyor. Bu yüzden klasik süper bilgisayarlarla 1000 yılda çözülemeyecek bazı matematik problemlerini kısa sürede çözebiliyor.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

fotonik-fotonik_bilgisayar-foton-kuantum_bilgisayar-kuantum

Fotonik bilgisayarlar elektrikle değil, ışıkla çalışacak.

 

En büyük avantajı nedir?

Kuantum bilgisayar geliştiren ilk devlet bugün internette kullanılan bütün şifreleri kırarak herkesi gözetleme ve teorik olarak sınırsız istihbarat elde etme imkanına sahip olacak. Buna daha iyi ekonomik öngörülerde bulunmak ve ekonomiyi daha iyi maniple etmek de dahil.

Kuantum bilgisayarlar, aynı zamanda uzaya gönderilen roketler için daha iyi rotalar çizmemizi sağlayarak uzayın keşfini ucuzlatıp hızlandıracak. Evrenin nasıl oluştuğunu anlamamızı da kolaylaştıracak.

Kısacası önümüzdeki 20 yılda ve dijital dönüşüm ile endüstri 4.0 bağlamında, şirketlerle kurumların maliyetleri düşürmesine izin verecek. Böylece üretimden bulut bilişime, e-ticaretten dijital pazarlamaya kadar her alanda verimlilik ve rekabet gücünü artırmak mümkün olacak.

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

fotonik-fotonik_bilgisayar-foton-kuantum_bilgisayar-kuantum

Işık hem parçacık hem dalga özelliğine sahip. Fotonik kuantum bilgisayarlar ışığın bu özelliklerinden yararlanıyor.

 

Kuantum bilgisayar ve Bitcoin

Kuantum bilgisayarlar Bitcoin gibi kripto paraların şifresini kırmakta kullanılacak. Ancak, bunun Bitcoin gibi coin bazlı ödemeler için gerçek bir tehdit oluşturacağını düşünmeyin.

Bitcoin ve Altcoin ile nasıl yatırım yapılır yazısında anlattığım üzere, kuantum bilgisayarlar aslında dijital paranın blockchain ile daha iyi şifrelenmesini sağlayacak. Böylece klasik bankacılık sistemine alternatif olan kripto para tabanlı paylaşım ekonomisi de güvenle yaygınlaşacak. Ancak, kuantum devrimi anlamak için önce fotonik bilgisayarlara bakmamız gerekiyor.

İlgili yazı: İnternette teknik takip ve gözetimi önleme rehberi

fotonik-fotonik_bilgisayar-foton-kuantum_bilgisayar-kuantum

 

Işığı maddeye dönüştürmek

Gerçekten de Chicago Üniversitesi’nden fizikçi Jonathan Simon neden ışığı maddeye dönüştüren fotonik bilgisayar geliştirmek istiyor? Aslında amacı temel fizik araştırmaları yapmak; örneğin evrenin boşluktan nasıl oluştuğunu anlamak ve bunun için hızlı ve güçlü bilgisayarlara ihtiyacı var. Neden derseniz:

Bugün biz süper bilgisayarlara matematik formülleri yüklüyor ve bu formüllerle fizik, kimya, biyoloji ve genetik simülasyonları yapıyoruz. Oysa evreni anlamak için bizzat atomların ve atom altı parçacıkların simülasyonunu yapmamız gerekiyor. Bunu ışığı maddeye dönüştüren bilgisayarlarla yapmak daha kolay.

İlgili yazı: 3 Paradoksla Evren Boşluktan Nasıl Oluştu?

fotonik-fotonik_bilgisayar-foton-kuantum_bilgisayar-kuantum

Fizik yasaları evrende her yerde geçerli. Bu yüzden evrende her şeyi büyütüp küçülterek ölçekleyebiliriz. Zor ya da kolay yapabiliriz. Tıpkı resimdeki atom bombası mantarına benzeyen su damlası gibi.

 

Peki neden fotonik bilgisayar?

Henüz test aşamasında olan optik bilgisayarlar elektrikle değil, ışıkla çalışıyor ve optik kablosuz internetle uyumlu olacak şekilde tasarlanıyor. Bunlar fiber internetin üst sürümü olarak veriyi elektrik akımları yerine doğrudan ışığa kodluyor.

Fotonik bilgisayar ise optik bilgisayarların daha gelişmiş bir sürümü olacak. Öyle ki veriyi ışık ışınlarına değil, ışığı oluşturan tek tek fotonlara ve foton gruplarına kodlayacak. Bu bir seferde daha çok veri işlenmesini sağlayacak.

Nasıl ki yeni geliştirilen optik bilgisayarlar elektronik bilgisayarlardan daha hızlı çalışacak, yüksek çözünürlükle veri kodlayan fotonik bilgisayarlar da optik bilgisayarlardan çok daha hızlı çalışacak.

İlgili yazı: Renk Körlüğünü Düzelten Gözlük EnChroma

fotonik-fotonik_bilgisayar-foton-kuantum_bilgisayar-kuantum

Fotonik bilgisayarların öncüsü 60’larda geliştirilen lazer ışınlı hologram teknolojisidir.

 

Sırada optik kuantum bilgisayar var

Klasik optik bilgisayarların devamı olan optik kuantum bilgisayarlar ise bugünkü elektronik kuantum bilgisayar prototiplerinden daha küçük ve hızlı olacak, çok daha az enerji tüketerek çalışacak.

Öte yandan, geleceğin fotonik kuantum bilgisayarları da laptop boyundaki optik kuantum bilgisayarlardan daha güçlü olacak. 30-40 yıl içinde bugünkü süper bilgisayarlardan daha güçlü olan akıllı telefon boyunda kuantum bilgisayarlar üreteceğiz.

Böylece bilgisayar dünyasının gelecek 50 yıldaki yol haritasını özetlemiş ve başka bir yazıda anlattığım aşkın insan yolunu açmış olduk. Peki fotonik bilgisayar nedir? Hemen görelim.

İlgili yazı: Ay’a Gitmedik Komplo Teorilerini Çürüten 10 Kanıt

fotonik-fotonik_bilgisayar-foton-kuantum_bilgisayar-kuantum

 

Fotonların gücü

Fotonik bilgisayarlar ışığı normal merceklerden çok daha değişik ve acayip şekillerde büken meta materyallerden üretilen özel mikroskobik prizmalarla çalışacak. Günümüzde bu tür meta materyalleri görünmezlik pelerini üretmekte kullanıyoruz. Gelecekte tekil fotonları kontrol etmekte kullanacağız.

Ancak, Chicago Üniversitesi’nden Jonathan Simon daha ileri giderek fotonik kuantum bilgisayar yoluyla ışığı maddeye dönüştürmek istiyor. Böylece evreni oluşturan temel parçacıkların doğrudan bilgisayar simülasyonunu yapmayı ve evrenin büyük patlama ile nasıl oluştuğunu çözmeyi amaçlıyor.

İlgili yazı: Mobil İnternette Video İzleme Rehberi

fotonik-fotonik_bilgisayar-foton-kuantum_bilgisayar-kuantum

Ateş taşı nasıl bozabilir? Işık nasıl maddeye dönüşebilir?

 

Işıktan yaratılan kara delik kugelblitz

Peki ışık nasıl maddeye dönüşebilir? Bu soruyu sorarken Yüzüklerin Efendisi: İki Kule filmindeki Grima Solucandil kadar şaşırabiliriz. Solucandil bomba yapımında kullanılan barutu ilk kez gördüğü zaman “Ateş taşı nasıl bozabilir?” diye sormuştu. Öyleyse biz de soralım: Işık nasıl maddeye dönüşebilir?

Bunu Einstein’ın görelilik teorisindeki ünlü E=mc2 denklemine borçluyuz. Einstein maddenin enerjiye ve enerjinin maddeye dönüşebildiğini gösterdi.

Ben de ışıktan yaratılan kara delik kugelblitz yazısında, uzaydaki çok küçük bir noktaya süper güçlü lazer ışınları odaklarsak büyük miktarda madde oluşturabileceğimizi anlattım. Fotonları büyük miktarda maddeye dönüştürebilirsek bu madde kendi ağırlığı altında çökerek kara deliğe dönüşecek ve ışıktan kara delik oluşturacaktı.

Elbette ışıktan kara delik oluşturacak kadar güçlü lazer ışınları üretmemiz şimdilik imkansız. Hiçbir elektrik santrali bu kadar büyük miktarda enerji üretemez. Oysa 2360’larda geçen Uzay Yolu Gelecek Kuşak dizisindeki holografik güverte (holodeck) teknolojisi fotonları maddeye dönüştürebiliyor. Biz de Jonathan Simon’ın planını görmek için holografik güverteye göz atalım (holodeck ile evrenin oluşumunu nasıl anlayacağımızı görmek için bkz: Evren içi boş bir hologram mı?)

İlgili yazı: 10 Adımda kara deliğe düşen astronota ne olur?

fotonik-fotonik_bilgisayar-foton-kuantum_bilgisayar-kuantum

Holografik güverte, yahut holodeck Uzay Yolu dizisinde kullanılan bir fotonik bilgisayar. Işığı cisimleştirerek geçici maddeye dönüştürüyor ve süper gerçekçi dokunmadik hologramlar ile dünya simülasyonları yapıyor.

 

Holografik güverte

Holodeck görünmez lazer ışınları ve lokal yapay yerçekimi alanları kullanıyor. Bunlarla ışığı oluşturan fotonları mikroskobik ölçülerde sanki bir kara delik gibi büyük güçle büküyor. Böylece fotonların geçici olarak birleşmesini ve maddeyi oluşturan protonlarla nötronlar gibi davranmasını sağlıyor.

Kısacası holodeck fotonları cisimleştiriyor ve böylece uzay gemisinin içinde yanlışlıkla kara delik oluşturmadan holografik simülasyonlar yapıyor.

Nitekim dizide maceraları anlatılan Atılgan-D mürettebatı, boş vakitlerinde dinlenmek için holodeck’e gidiyor ve Matrix’ten çok daha gerçekçi olan dokunmatik dünya simülasyonlarında yaşıyor. Sonuçta doğrudan fotonlarla çalışan bilgisayarlar birebir (direkt) dünya simülasyonları yapabiliyor.

İlgili yazı: Kök Hücrelerle Körlük Tedavisi Ne Zaman Geliyor

fotonik-fotonik_bilgisayar-foton-kuantum_bilgisayar-kuantum

 

Bu yüzden sanal gerçeklikten daha gerçekçi

Jonathan Simon’ın amacı da bu tür fotonik bilgisayarlar geliştirmek ve Simon diyor ki Einstein Tanrı evrende zar atmaz demişti; ama kuantum fiziğindeki belirsizlik ilkesi nedeniyle evrende rastlantısallık var. İşte bu anlamda Tanrı evrende zar atıyor ve rastlantısallık gerçek dünyadaki olayları belirliyor.

Nitekim Simon, Zindanlar ve Ejderhalar rol yapma oyunlarında yarattığı karakterlerin başına gelecek olayları zar atarak belirleyen eski bir FRP oyuncusu. Bu bağlamda oyunda atılan zarların hayal ürünü FRP dünyasındaki olayları yönlendirme fikrinin her zaman hoşuma gittiğini söylüyor.

Rol yapma oyunlarının gerçek dünyanın simülasyonu olduğu fikrinden yola çıkan Simon, kuantum fiziğine dayalı fotonik bilgisayarlarla ışığı maddeye dönüştürmeye ve bu sayede süper gerçekçi mini evren simülasyonları yapmaya karar verdi.

Ne de olsa holografik evren ilkesi, bizzat içinde yaşadığımız evrenin, iki boyutlu bir hologram tarafından üretilen üç boyutlu bir simülasyon olarak tanımlanabileceğini gösteriyor.

İlgili yazı: Ekim Ayında Dünya’ya Büyük Asteroit Çarpmayacak

fotonik-fotonik_bilgisayar-foton-kuantum_bilgisayar-kuantum

 

Söylemek kolay, yapmak zor

Simon teorik güçlüklerden yılmadı ve 2016 yılında Nature dergisine yazdığı makalede1, ışığı oluşturan fotonları cisimleştirerek iki boyutlu bir materyal üretebileceğini gösterdi.

Bu yöntemde fotonların maddeyi oluşturan temel parçacıklar arasında yer alan elektronlar gibi davranmasını sağlayacak ve böylece ışığı maddeye dönüştürecekti (az sonra göreceğimiz bu materyal daha önce elektronlarla üretilmişti).

Simon işte bu yüzden fotonik kuantum bilgisayar geliştirmeye çalışıyor; çünkü UC Irvine Üniversitesi fizik profesörü Michael Dennin’in söylediği gibi, “Işığı başarıyla yönlendiren ve kontrol eden her şey bizi kuantum bilgisayarlara bir adım daha yaklaştırıyor.”

Özellikle de İstanbul’daki dolu afeti ve Amerika’daki Irma kasırgası gibi riskleri azaltmamız gerektiğinde bu böyle: Kuantum bilgisayarlar detaylı atmosfer simülasyonları yapıp iklimi kontrol ederek kasırgaların yolunu değiştirmemize ve iklim değişikliğini önlememize imkan verecek.

İlgili yazı: Piramitleri Uzaylılar Yaptı Teorisini Çürüten 14 Kanıt

fotonik-fotonik_bilgisayar-foton-kuantum_bilgisayar-kuantum

 

Kuantum bilgisayar qubitler ile çalışıyor

Klasik bilgisayarlar elektronik devrelerin açık ve kapalı olmasına karşılık gelen 1 ve 0’larla çalışıyor. En küçük veri birimine bit diyoruz ve 8 bit bir bayta karşılık geliyor.

Kuantum bilgisayarlar ise Heisenberg’in belirsizlik ilkesindeki süperpozisyon ve dolanıklık özelliklerinden yararlanan qubitler ile çalışıyor. Qubitler 1 ve 0’lara ek olarak 0,4 gibi ara değerleri de temsil edebiliyor.

Qubitler bir parçacığın aynı anda iki farklı kuantum durumunda bulunması demek olan süperpozisyon özelliğini kullanıyor. Kuantum bilgisayar qubitler sayesinde gerçekten paralel çalışarak aynı anda birden çok işlemi yapabiliyor.

İlgili yazı: Yerçekimi Kuantum Salınımlarıyla mı Oluşuyor?

fotonik-fotonik_bilgisayar-foton-kuantum_bilgisayar-kuantum

Kuantum bitleri (qubitler) kullan kuantum bilgisayarlar süperpozisyon ve dolanıklık özelliği sayesinde tek çekirdekle birden fazla işlem yapabiliyor.

 

Elektron qubitleri

Buraya kadar qubitler hakkında genel fikir sahibi olduk. Peki elektron ve foton qubitleri arasındaki fark nedir? Ne de olsa fotonik bilgisayarlar, D-Wave’in kuantum bilgisayar olduğunu öne sürdüğü Vezüv 2 gibi elektrikle değil, fotonlarla çalışıyor.

Oysa klasik laptopların yaptığı gibi elektrik akımları kullanmak yerine, elektriği oluşturan tek tek elektronlara veri kodlayan elektronik kuantum bilgisayar yapmak çok zor.

Vezüv 2’nin en büyük sınırlaması da bu. Elektronlar bilgisayarın ısınmasına ve gürültüye (parazit) yol açıyor. Isınma derken, elektronlar kuantum tünelleme etkisi ile bilgisayar işlemcisindeki komşu devrelere rastgele sıçrayabiliyor.

IBM Moore yasasını aşan gökdelen işlemciler geliştirdi yazısında anlattığım gibi, bu durum elektronik devrelerin daha fazla küçülmesini ve böylece daha küçük ve hızlı bilgisayarlar üretmeyi engelliyor. İşlemcilerin transistorları küçüldükçe elektronların rastgele komşu devrelere sıçrayıp kısa devreye yol açma olasılığı artıyor.

İlgili yazı: Kızıl Gezegen Mars Hakkında Bilmediğimiz 3 Soru

fotonik-fotonik_bilgisayar-foton-kuantum_bilgisayar-kuantum

D-Wave’in Vezüv 2 kuantum bilgisayarı -272 dereceye kadar soğutulan pahalı ve oda büyüklüğündeki bir sistem.

 

Peki Vezüv 2 gerçekten kuantum bilgisayar mı?

Google tarafından desteklenen D-Wave şirketi elektrikle çalışan bir kuantum bilgisayar yaptığını söylüyor. Buna Vezüv serisi diyorlar.

Oysa Vezüv serisi oda büyüklüğünde dev soğutma sistemleri gerektiriyor. Üstelik son testlere göre, elektronik devrelerin yaklaşık -272 derecede soğutulmasına rağmen (ki bu yüzden Vezüv 2 asla laptop kadar küçük ve pratik bir kuantum bilgisayar olamaz) paraziti önlemek mümkün olmuyor.

Nitekim D-Wave’in aksi yöndeki tüm açıklamalarına karşın, fizikçiler Vezüv serisi bilgisayarların aslında kuantum bilgisayar olmadığını söylüyor. Buna göre içerdikleri qubitler çok çabuk bozuluyor ve sistem pahalı bir klasik bilgisayar olmaktan öteye gitmiyor.

İlgili yazı: En Titrek Nötron Yıldızı: ODTÜ Yeni Tür Atarca Keşfetti

fotonik-fotonik_bilgisayar-foton-kuantum_bilgisayar-kuantum

Işığı fotoğraf karesinde dondurmak kolay. Bilgisayarda zor.

 

Gelelim foton qubitlerine

Fotonlar bilgisayarın içinde elektronlardan daha hızlı hareket ediyor. Aynı zamanda elektrondan küçük olduğu ve kütlesi (dolayısıyla ağırlığı) olmadığı için elektronlardan daha iyi kontrol edilebiliyor.

Bu yüzden ışığı cisimleştirmek elektrondan madde üretmekten daha kolay ve ışıkla çalışan kuantum bilgisayar geliştirmek de elektrikle çalışan kuantum bilgisayar üretmekten kolay.

İlgili yazı: Cassini Satürn’e Son Dalışını Yapıyor

fotonik-fotonik_bilgisayar-foton-kuantum_bilgisayar-kuantum

 

Fotonik bilgisayarların zorluğu yok mu?

Tabii ki var. Örneğin elektronları uzun mesafelere bakır tellerle taşıyabiliyorsunuz. Fotonlar ise uzun mesafede çabuk bozuluyor; yani prizmalar ve kuantum nokta teknolojisini kullanan mikroskobik lambalar olmadan, foton verisini uzağa taşıyamıyorsunuz.

Kısacası fotonlar daha az enerjiyle daha hızlı harekete geçirilebilse bile sistemde kaçak var ve bu yüzden fotonik bilgisayarları sürekli yeni fotonlarla beslemek zorundasınız. Elektronik bilgisayarlar ise veri işlem gücüne göre çok daha zayıf ve kullanışlı elektrik akımlarıyla çalışıyor.

İlgili yazı: Hava Durumunu Lazerle Kontrol Etmek Mümkün mü?

fotonik-fotonik_bilgisayar-foton-kuantum_bilgisayar-kuantum

Mor orkide. Bazı bitkiler ışığı sever. Bazısı da karınca kararınca.

 

Fotonik bilgisayarlar ışığa aç

Fotonik bilgisayar sistemleri bazı bitkiler gibi ışığı çok seviyor ve düzgün çalışmak için bol ışık istiyor. Tabii ışık derken gün ışığını değil, lazer ışınlarını kast ediyoruz. Lazer ışınları eş frekans ve eş fazlı fotonlardan oluştuğu için fiber internette daha çok veri taşıyabiliyor.

Yardımcı Doçent Jonathan Simon işte bu yüzden, kuantum bilgisayar araştırmalarına, elektriği bakır telden daha iyi ileten grafenden üretilmiş elektronik devrelere başladı. Fotonik bilgisayar ilke ve becerilerini geliştirmek için önce elektronik bilgisayarlarla çalıştı. Neden grafen kullandı derseniz:

İlgili yazı: Hibrit Araçlar İçin Grafen Yakıt Pili

fotonik-fotonik_bilgisayar-foton-kuantum_bilgisayar-kuantum

Grafen elektriği bakır telden daha iyi iletiyor. Bu yüzden daha az ısınan, daha hızlı ve ucuz bilgisayarlar üretilmesini sağlayacak. Resimde grafen devre tablası.

 

Mucize materyal diyelim

Grafen hem bazı şartlarda süperiletken olarak davranıyor, hem de uyguladığınız voltaja göre iletken veya yalıtkan olabiliyor. Bu yüzden bilgisayar araştırmacıları gelecekte silikon tabanlı devre yerine grafen devre kullanmayı düşünüyorlar.

Nitekim tek bir grafen devreyi hem açık mantık kapısı (1) hem de kapalı mantık kapısı (0) olarak kullanabileceğiz. Bu da daha az malzemeyle daha küçük bilgisayar işlemcileri üretmemizi sağlayacak. Mantık kapısı sayısını azaltarak işlemcileri küçültmemize rağmen aynı performansı alacağız. Simon işte bundan hareketle önce grafenden kuantum bilgisayar üretip üretemeyeceğini inceledi.

Ardından elektronları kullanarak atomları mikroskobik ölçüde istediği gibi dizip dizemeyeceğine baktı. Ne de olsa elektronları kullanarak maddenin yapıtaşları olan atomları tek tek dizmek, bizzat elektronları kullanarak geçici madde üretmekten daha kolaydı (yukarıda sözünü ettiğim meta materyali az sonra anlatacağım).

Sonuçta Simon atomları tek tek dizerek mikroskobik makineler üretmeyi ve kompleks kuantum bilgisayar devreleri için nanoteknolojide ilk kez seri üretime geçmeyi planladı. Ancak, zamanla atomları grafenle iletilen elektronlar yerine fotonlarla dizmeye karar verdi. Fotonlar daha kullanışlıydı.

İlgili yazı: Dokuzuncu Gezegen Hakkında Yeni Kanıt Bulundu

fotonik-fotonik_bilgisayar-foton-kuantum_bilgisayar-kuantum

 

Ancak başaramadı!

Neden başaramadığını görmek için önce lazer ışınlarına göz atalım: Lazer ışınlarının ağırlığı yok; ama ışığı oluşturan fotonların momentumu var ve fotonların momentumunun yaklaşık yüzde 50’sini lazerle ateş ettiğiniz atomlara aktarmak mümkün.

Nitekim komşu yıldızlara 20 yılda gidecek olan lazer yelkenli uzay sondaları bu şekilde çalışacak. Dünyada inşa edilecek dev lazerlerle, ışık yelkeni takılan küçük uzay sondalarını, ışık hızının 5’te birine kadar hızlandırabileceğiz. Simon da lazer ışınlarıyla atomlara ateş ederek momentum transferi yaptı.

Böylece fotonların momentumunu atomlara aktararak atomların titremesini yavaşlattı. Bu da atomları lazer ışınlarıyla soğutup tek noktada küçük bir bulut halinde toplamasını sağladı. Ne de olsa ısı dediğimiz şey atomların titremesinden oluşuyor. Titremeyi kesersek atomlar soğuyor.

Bunu anlamak için tavanda sallanan avize örneğine bakalım: Başınızı avizeye çarparsanız elinizle lambaları tutup avizenin sallanmasını önleyebilirsiniz. Bu aslında avizenin momentumunun elinize geçmesiyle oluyor.

Atomik bilgisayar

Simon atomları lazer ışınlarıyla böyle durdurdu ve masaya dizdiği atomlara veri depolayarak tarihin ilk kompleks atomik bilgisayarını geliştirmeye çalıştı. Oysa elektron tabancası yerine lazer ışınları kullanmasına rağmen atomları kontrol etmeyi başaramadı.

İlgili yazı: Plüton’un Takla Atan Çılgın Ayları

fotonik-fotonik_bilgisayar-foton-kuantum_bilgisayar-kuantum

 

Atomlar çok hassas

Aslında atom gruplarını lazerle soğutup tüm atomların birbiriyle kuantum dolanıklığa girmesini sağlamak; yani süper soğuk bir gazın tek atom gibi davranmasını sağlamak nispeten kolay. Ancak, bu dev bileşik atoma (Bose-Einstein yoğuşması) veri kodlamak zor:

Simon atom bulutunu ne zaman lazerle itmeye çalışsa atomlar ısınıyordu. Isınan atomlar da hemen dağıldığı için bunlara veri kaydetmek ve atomları kuantum bilgisayar devresi olarak kullanmak mümkün olmuyordu. Fotonik bilgisayar fikri de böyle ortaya çıktı:

Elektron ve atomlarla oynamaktan bıkan Simon, lazer ışınlarıyla doğrudan fotonları kontrol etmeye karar verdi. Atomlar yerine fotonları masaya dizecek, fotonları maddeye dönüştürüp cisimleştirecek ve böylece ilk fotonik bilgisayar devrelerini üretecekti.

Fizikte bu şekilde cisimleştirilen fotonlar ve elektronlardan üretilen maddeye kuantum Hall materyali diyoruz. Bu egzotik meta materyal fotonik bilgisayarların temelini oluşturuyor. Peki bu materyalin en ilginç özelliği nedir? Artık buna göz atabiliriz.

İlgili yazı: Dronlar Günde 100 Bin Ağaç Dikecek

fotonik-fotonik_bilgisayar-foton-kuantum_bilgisayar-kuantum

Atomları elektron veya fotonlarla dizerek atomik bilgisayar yapmak mümkün; ama fotonik bilgisayardan çok daha zor.

 

Kuantum Hall materyali

Bu meta materyalin sadece kenarları elektriği geçiriyor ve elektriği geçirirken de elektronları sadece tek yönde iletiyor. Bunun mikroskobik makineler üreten nanoteknoloji sektörü için büyük yararı var:

Bildiğiniz gibi küçük cisimler kolayca bükülüp kırılabiliyor. Mikroskobik cisimler ise daha kolay bozuluyor. Kuantum Hall materyalleri ise boyuna göre oldukça dayanıklı. Ayrıca, elektriği çok iyi ilettikleri için bunları hatasız üretmek de kolay (seri üretim için kolay ölçeklenebiliyorlar).

Öyle ki Simon bunu başarabilirse kuantum Hall materyallerini mikroskobik kristallerden üretilen prizma ve merceklerle birlikte kullanacak. Böylece küçük ve hızlı kuantum bilgisayarlar geliştirecek.

İlgili yazı: Güneş Sisteminin Yassı Cüce Gezegeni Haumea

fotonik-fotonik_bilgisayar-foton-kuantum_bilgisayar-kuantum

Kuantum Hall materyali elektriği sadece kenarından iletiyor ve fotonik kuantum bilgisayar için geçici olarak oluşturulan anlık devre üretiminde kullanılacak. Anlık devreler bilgisayarların hacklenmesini zorlaştıracak ve kuantum şifre anahtarı işlevi de görecek.

 

Haydi fotonik bilgisayar yapalım

Simon atomlarla güçlü kuantum bilgisayarlar üretemeyeceğini anlayınca daha kullanışlı olan fotonlara yöneldi. Fotonları doğrudan lazer ışınlarıyla kontrol ederek ışığı maddeye dönüştürmeyi; yani fotonları masaya kuantum Hall materyali gibi dizmeyi düşündü.

Bunun için dört ayna aldı ve bunları birbirine bakacak şekilde yerleştirdi. Ardından aynaların arasına lazer ışını tuttu. Birbirine bakan aynalar ışığı karşılıklı yansıtarak fotonları büküp yolunu değiştirdi.

Bu sayede fotonları istenen şekilde dizmek mümkün oldu (tıpkı güçlü bir manyetik alanda dönmeye başlayan elektronlar gibi). Sonunda Simon yıllar süren çabalarının ödülünü aldı ve fotonları kuantum Hall materyali olarak düzenlemeyi başardı.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten Gerçek Video

fotonik-fotonik_bilgisayar-foton-kuantum_bilgisayar-kuantum

 

İyi de fotonlar çarpışmaz ki!

Durağan kütleye sahip olmayan foton parçacıkları normal madde gibi davranmıyor. Örneğin Lego parçaları gibi birbirine değmiyor. Bu yüzden fotonları dizip maddeye dönüştürdüğümüzü hayal etmek zor. Buna daha yakından bakalım:

Fotonlar çarpışmazlar. Birbirinin içinden geçerler ve bunu siz de görebilirsiniz. Sokak lambasının ışığına el feneri ışığını tutarsanız lambadan gelen ışığı durduramazsınız. Işık ışığın önünü kesmez. Oysa duvar ışığı kesebilir.

Öyleyse Simon fotonları elektron gibi kontrol etmeyi nasıl başardı? Aslında eski dostu atomlara başvurdu. Atomları kullanarak ışığı dondurdu.

İlgili yazı: Uranüs ve Neptün’de Gökten Elmas Yağıyor

fotonik-fotonik_bilgisayar-foton-kuantum_bilgisayar-kuantum

Kara delik.

 

Işığı dondurmak

Derler ki kütleli cisimler uzay-zamanı büker, bu yüzden ışık yavaşlar ve böylece zamanın akışı da yavaşlar. Evet, çok güçlü bir yerçekimine sahip olan kara deliklerin yakınında zaman dışarıdan bakan gözlemcilere göre yavaşlıyor.

Ancak, bunun sebebi ışığın yavaşlaması değil, ışığın uzayda aldığı yolun uzaması: Uzay-zaman bükülünce bir çukurluk oluşuyor ve ışığın bir yerden bir yere gitmesi için daha uzun süre geçiyor. Biz de bunu zamanın yavaşlaması olarak algılıyoruz.

Oysa bizim ışığı bükmek için güçlü bir yerçekimi alanı kullanmamız imkansız; çünkü bunu ancak bir kara delikle yapabiliriz ve elimizdeki teknolojiyle mikroskobik yapay kara delikler üretemeyiz. Peki fotonik bilgisayarlar için ışığı nasıl bükebilir ve dondurabiliriz?

fotonik-fotonik_bilgisayar-foton-kuantum_bilgisayar-kuantum

Görelilik teorisinde zamanın yavaşlaması: Yerçekimi uzayı büker. Işık yavaşlamaz ama bükülen ışığın bir noktadan diğerine gitmek için uzayda aldığı yol uzar. Bu da dışarıdan bakınca kütleli cisimlerin yanında zamanın yavaşlamasına neden olur.

 

Kurnaz fizikçi

Jonathan Simon bir hileye başvurarak ışığı dondurdu. Nasıl derseniz detaylarını 3 paradoksla evren boşluktan nasıl oluştu yazısında anlattım; ama en basit ifadesiyle ışık her zaman ışık hızında gider diyelim.

Öte yandan, lazer ışınlarını yoğun bir gaz bulutuna tutarsanız atomlar fotonları sürekli olarak emecek ve tekrar tekrar yayınlayacaktır. Bu süreç ışığı yavaşlatmaz, ama ışığın gazın içinden dışarı çıkıp çevreyi aydınlatmasını yavaşlatır.

İlgili yazı: Antares ile Tanışın: Uzak yıldızın vesikalığını çektik

 

Kuantum hilesi

Öyle ki ışığın lazerle soğutulan yoğun bir gaz bulutunun içinden çıkması saniyeler, hatta dakikalar sürebilir. Işık hızının boşlukta saniyede 300 bin km olduğunu düşünürsek Simon’ın bu yöntemle ışığı adeta dondurduğunu söyleyebiliriz.

Tabii ışık donunca fotonlar enerji yerine madde gibi davranıyor ve ışığın dalga özelliğinden çok parçacık özelliği öne çıkıyor. Fotonlar bu şekilde “dondurulduğu” zaman polariton adını alıyor ve kısmen ışık, kısmen de madde gibi davranıyor.

İlgili yazı: Enformasyon Paradoksu: Kara Delikler Evreni Siler mi?

fotonik-fotonik_bilgisayar-foton-kuantum_bilgisayar-kuantum

Güneş ışığı Dünya’ya 8 dakikada ulaşıyor, ama Güneş’in içinden çıkana kadar 1 milyon yıl geçebiliyor. Güneş aslında ışığı donduruyor.

 

Şaşırmayın, Güneş ışığı da milyon yıl yaşında

Önceki gün Bilgi Üniversitesi’ndeki muhteşem bilim dersimde ışık hızının sonlu olduğunu ve Güneş ışığı Dünya’ya ulaşana kadar 8 dakika geçtiğini söyledim. Oysa güneş ışığı 1 milyon yıl yaşında olabilir; çünkü ışık yıldızımızın merkezinde oluşuyor. Nasıl derseniz:

Güneş’in merkezinde basınç çok yüksek ve dolayısıyla merkezde çok yoğun bir gaz bulutu var: Bu yüzden ışık Güneş’in içinden dışarı çıkana kadar 170 bin ila 1 milyon yıl geçiyor.2 Demek ki Dünya’ya ulaşan güneş ışığı aslında 1 milyon yıl, 8 dakika yaşında olabilir. Öyleyse fotonik bilgisayar üretmenin ilkelerini şu şekilde sıralayabilir ve konuyu toparlayabiliriz:

1) Lazer ışınlarıyla fotonları dizin. 2) Böylece ışığı geçici olarak maddeye dönüştürerek, yani fotonları cisimleştirerek kuantum Hall materyalleri üretin. 3) Sonra bu egzotik meta materyaller ile fotonik devreler üreterek ışığa veri depolayın. 4) Ardından fotonik kuantum bilgisayarı fiber internet, lazer internet veya telepatik internete bağlayın. Peki fotonik bilgisayarlar ne zaman gelecek?

İlgili yazı: Temel Parçacıklar Tek Boyutluysa Cisimler Neden 3 Boyutlu?

fotonik-fotonik_bilgisayar-foton-kuantum_bilgisayar-kuantum

Peki insan beyni yerçekimi ile çalışan bir kuantum bilgisayar olabilir mi?

 

Fotonik kuantum bilgisayar ve holodeck

Jonathan Simon henüz gerçek bir fotonik kuantum bilgisayar yapamadı. Ancak, kuantum bilgisayar mühendisliği ve mimarisi alanında önemli ilerlemeler kaydetti. Bir gün gazları lazer ışınlarıyla soğutup ışığı dondurarak kuantum Hall materyalleri üretmeyi planlıyoruz.

Nitekim ışığı maddeye dönüştürünce sadece fotonik bilgisayar üretmiş olmayacağız. Aynı zamanda Uzay Yolu’ndaki holografik güverte teknolojisinin de önünü açacağız: Holodeckler fotonları geçici olarak cisimleştirecek ve sanal gerçeklikten çok daha gerçekçi simülasyonlar yapacak.

Sonuçta temel parçacıkların detaylı simülasyonunu yaparak evrenin nasıl oluştuğunu daha iyi anlayacağız. İşte o zaman şu soru kritik önem kazanacak: Madde ve enerjinin doğrudan simülasyonunu yapmak mümkünse yaşadığımız evren bir bilgisayar simülasyonu olabilir mi?

Ancak, fizikçi Roger Penrose daha iddialı bir soru soruyor: Bizzat insan bilinci kuantum bilgisayar olabilir mi? Bu da evren simülasyon mu sorusuna ek anlam katıyor. Güzel bir hafta sonu geçirelim.

Işığı maddeye çevirmek


1Synthetic Landau levels for photons
2Sunlight hides a thousand-year journey

Add a Comment

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

*