Fizikçiler Schrödinger Kedisini Nasıl Kurtardı?
Bilim insanları yapay atom üretti ve kuantum fiziğindeki Schrödinger kedisini kurtarmanın bir yolunu buldu. Böylece hatasız çalışan süper güçlü kuantum bilgisayarlar üretip bugün internette kullanılan bütün şifreleri kırabileceğiz. Peki Schrödinger’in kedisi deneyi nedir ve kedinin hayatını nasıl kurtarabiliriz?
Schrödinger Kedisini kurtarmak
Yale Üniversitesi araştırmacıları, kuantum sıçrama gerçekleştiren parçacıkları mikroskopla gerçek zamanlı olarak izlediler ve kuantum tünelleme gibi olaylara yol açan bu sıçramaları yarı yolda durdurup geri almayı başardılar.
Bunu yapmak ve Schrödinger kedisini kurtarmak için de yapay atom geliştirdiler. Böylece kuantum bilgisayarlarda hata düzeltmesi yapabilecek ve internetteki bütün şifreleri kıracak kadar güçlü kuantum bilgisayarlar üretebileceğiz. Peki bunu nasıl yapacağız? Belirsizlik ilkesinden başlayarak görelim:
İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?
Schrödinger ve belirsizlik ilkesi
Evet, Yale Üniversitesi kuantum fiziğinin en büyük sorunlarından birini çözdü: Heisenberg’in belirsizlik ilkesi. Buna göre bir parçacığın konumunu bilirseniz hızını (momentumunu) bilemezsiniz ve momentumunu bilirseniz bu kez de konumunu net bilemezsiniz.
Dahası foton gibi bir parçacığı alıp çevreden yalıtırsanız, örneğin mutlak sıfıra soğutarak diğer parçacıklar ve enerji alanlarıyla etkileşime girmesini önlerseniz onu bulanık hale getirmiş olursunuz.
Kuantum fiziğinde buna süperpozisyon diyoruz; yani çevreyle etkileşmediği için henüz gerçek dünyada bir seçim yapmamış olan parçacıklar ve atomların, aynı anda birden fazla kuantum durumunda olması…
En basit haliyle, süperpozisyon halindeki bir atomun yörüngesindeki elektronlar aynı anda hem sağa hem de sola dönebilir (Aslında elektronlar klasik fizikte olduğu gibi dönmezler, bu sadece çok basitleştirilmiş bir analoji) . Kutudaki Schrödinger kedisi de işte bu yüzden aynı anda hem ölü hem canlı olabilir. Ancak, bunu anlamak ve Schrödinger Kedisini kurtarmak için süperpozisyon haline daha yakından bakalım ve fizikçi Erwin Schrödinger’i biraz daha yakından tanıyalım.
İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili
Kuantum belirsizlik ve süperpozisyon
Öncelikle Erwin Schrödinger’in hiçbir şekilde kedilere garezi yoktu. Schrödinger Kedisi deneyi ile sadece atomaltı kuantum dünyasına özgü garipliklerin, gözle görülebilir kadar büyük olan gerçek dünyada geçerli olmadığını ve insanların dünyasını etkilemediğini göstermek istiyordu.
Schrödinger Kedisi düşünce deneyini de bunun saçma olduğunu göstermek için tasarladı ve hayır, deneyde kesinlikle gerçek kedi kullanmadı. 🙂 Kuantum dünyasının garip özellikleri derken de belirsizlik, süperpozisyon ve dolanıklığı kast ediyoruz. İlk ikisini özetledik. Kuantum ışınlama, kuantum internet ve kuantum bilgisayarlarda kullanılan üçüncüsüne gelince:
İki fotonu veya elektronu alıp dolanıklığa sokar ve birinin kuantum durumunu değiştirirseniz diğerinin kuantum durumu da anında değişecektir. Örneğin, dolanık elektron çiftindeki eşlerden biri sağa dönüyorsa diğeri anında sola dönmeye başlayacaktır.
Hatta elektronlardan birini 3,8 milyar ışık yılı uzaktaki başka bir galaksiye taşısanız bile, biri sola dönerken diğeri sağa dönecektir. Yeter ki dolanık olsunlar. Nitekim kuantum bilgisayarlar belirsizlik ilkesinden türeyen süperpozisyon özelliği ve dolanıklık ile çalışıyor. Bizim de kuantum bilgisayarlarda hata düzeltme yaparak düzgün çalışmalarını sağlamak için bu özellikleri doğru kullanmamız gerekiyor.
Schrödinger Kedisiyle ne ilgisi var?
Kuantum bilgisayarlar mikroskobik kuantum dünyasına ait özelliklerle çalışıyor ve böylece kuantum dünyasını insanların dünyasına taşıyor. Schrödinger Kedisi deneyinde de kedinin hayatı kuantum dünyasındaki etkileşimlere bağlı bulunuyor. Bu nedenle Schrödinger Kedisini anlamak şart oluyor.
İlgili yazı: Yapay Zeka Nedir ve Nasıl Çalışır?
Hem ölü hem canlı
Diyelim ki sarman kedi aldınız ve bir kutuya koydunuz. Kutunun içine bir zehir şişesi yerleştirdiniz ve kenarına çekiç koydunuz. Çekicin sapını da bir ipe bağladınız. Öyle ki çekiç düşerse ve camı kırarsa kedi zehirlenip ölecek. Öte yandan çekicin ipi de karbon 14 gibi radyoaktif bir atoma bağlı.
Karbon atomu bozunursa ip kopacak, çekiç şişeyi kıracak ve kedi ölecek. Karbon atomu bozunmazsa şişe kırılmayacak ve kedi yaşayacak. Ancak, biz kutunun içini açıp bakmadıkça kedinin kaderini bilemeyeceğiz. Kedi hem ölü hem canlı olacak, yani süperpozisyon halinde bulunacak. Bu nasıl olabilir? Radyoaktivite sayesinde:
Karbon 14 izotopunun atom çekirdeği 6 proton ve 8 nötrondan oluşuyor; yani fazladan 2 nötron içeriyor. Karbon 14 atomu bu fazlalıkları radyoaktif bozunum denilen bir süreçle üzerinden atarak dengeli normal karbon atomuna dönüşüyor.
Oysa Heisenberg’in belirsizlik ilkesi nedeniyle bir atom çekirdeğindeki nötronların ne zaman bozunacağını bilemeyiz. Karbon 14 söz konusu olduğunda, 2 fazla nötrondan hangisinin daha önce bozunacağını veya ikisinin aynı anda bozunup bozunmayacağını da bilemeyiz. Bu da kediyi süperpozisyona sokar:
İlgili yazı: Güneş Kara Delik Olursa Dünya’yı Yutar mı?
Schrödinger kedisinin Süperpozisyonu
Schrödinger kedisinin yaşayıp yaşamayacağı, karbon 14 atomunun bozunup bozunmayacağına bağlıysa ve biz de kutuyu açıp bakmadan (kedinin değil ama) atomun bozunup bozunmadığını göremiyorsak karbon 14 izotopu aynı anda hem bozunmak, hem de bozunmamak gibi süperpozisyon halinde olacaktır.
Kedinin hayatı atomun bozunmasına bağlı olduğundan, Schrödinger Kedisi de aynı anda hem ölü hem canlı olarak süperpozisyon halinde olacaktır. Karbon 14 atomunu çevredeki fiziksel etkileşimlerden izole edebildiğimiz sürece bu böyledir.
Evet, Erwin Schrödinger bu düşünce deneyini, kuantum dünyası özelliklerinin görünür dünyaya taşınması halinde sağduyuya aykırı birçok saçmalığa yol açacağını göstermek için yaptı. Özetle böyle şey olmaz kardeşim, kedi hem canlı hem ölü olamaz dedi.
İlgili yazı: Samanyolu Galaksisi Saniyede 630 km hızla Nereye Gidiyor?
Oysa Schrödinger Yanılıyordu
Süper sıvı helyum yazısında anlattığım gibi, bir gazı soğutarak sıvılaştırır ve mutlak sıfıra soğutursanız sıvıyı oluşturan atomlar tek bir dev atom gibi davranmaya başlayacaktır; çünkü hepsi en düşük enerji düzeyinde, yani aynı kuantum durumunda bulunacaktır. Bu da onları dolanıklığa sokacaktır!
Öyle ki hiçbir atom diğerinden bağımsız hareket etmeyecektir. Öyleyse mutlak sıfıra kadar soğutulan gazlar dolanıklığa; yani bu durumda Bose-Einstein yoğuşması denilen maddenin özel bir haline girerler.
Nitekim süper sıvı helyuma bakarsanız yüzde 100 akışkan olan bu sıvının damlacıklarının, içinde bulunduğu kabın kenarından karınca gibi kendi başına tırmanıp dışarı döküldüğünü görürsünüz. Hatta helyum sıvısının atomları, kabın dibindeki atomların arasından sızarak yere dökülecektir. Sanki kap delikmiş gibi!
Peki bu ne demek?
Bu, fizikçi Schrödinger’in dediğinin tersine, kuantum dünyasını görünür dünyaya taşıyabilmemiz demek. Nitekim kuantum bilgisayarlar da dolanıkla çalışıyor ve bunların nasıl çalıştığını önceki yazılarda anlattım. Ancak, özetleyecek olursak örneğin iki fotonu alıyoruz ve bunları dolanıklığa sokarak süperpozisyon halindeki qubitler oluşturup bilgi-işlem yapıyoruz. Tamam, daha basit anlatalım: 🙂
İlgili yazı: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?
Schrödinger Kedisi ve Kuantum Bilgisayarlar
Bilgisayarlarda temel veri birimine bit diyoruz. Kuantum bilgisayarlar da örneğin iki fotonu dolanıklığa sokarak bir qubit oluşturuyor ki buna da kuantum bit diyoruz. Oysa klasik bilgisayarda 1 bit tek bir bite karşılık gelirken ve 8 bit de bir bayt ederken, kuantum bilgisayarlarda 1 qubit aslında 21, yani 2 bite karşılık geliyor; çünkü iki dolanık fotonun ab, ba gibi iki farklı kombinasyonları bulunuyor.
Öte yandan 3 qubit 23, yani yaklaşık 8 bite karşılık geliyor. Sonuçta kuantum bilgisayarların qubit cinsinden bilgi işlem kapasitesini 2n−1 formülüyle hesaplıyoruz. Burada (n) qubit sayısına karşılık geliyor. Dolayısıyla klasik bilgisayarlarda aynı anda birden fazla işlem yapmak için çok çekirdekli işlemci gerekirken, kuantum bilgisayarda bir qubit ile aynı anda iki işlem yapabiliyoruz. Siz buna aynı anda hem ölü hem canlı Schrödinger Kedisi deyin. 😉
Kuantum bilgisayar daha mı hızlı?
Aslında kuantum bilgisayarlar klasik bilgisayarlardan daha hızlı değil. Ancak, klasik bilgisayarlar seri çalışırken; yani bir işlemi bitirmeden diğerine geçmezken, kuantum bilgisayarlar paralel çalışarak aynı anda birçok işlem yapabiliyor. Bu yüzden de bugün internette kullanılan bütün şifreleri kıracaklar. Biz de Schrödinger Kedisinin hayatını kurtarmadan önce bunu nasıl yapacaklarını açıklayalım.
İlgili yazı: Evren Bir Simülasyon mu?
Kuantum bilgisayar felaketi?
İnternetteki şifreler, örneğin 1000 basamaklı büyük bir sayının asal çarpanlarına ayrılmasına dayanıyor. Tıpkı 240’un asal çarpanlarının 24 x 5 x 3 olması gibi… Siz şifreleme yaparken 240’tan çok daha büyük bir sayı seçer ve bunların asal çarpanlarını şifre anahtarı olarak belirleyebilirsiniz. Böylece e-posta iletileri veya Bitcoin hesabınız için paranızı şifrelersiniz.
Klasik bilgisayarların da örneğin 100 milyar 203 bin 465 gibi bir sayıyı çarpanlarına ayırarak bu şifreyi kırması gerekir. Nitekim ABD Ulusal Güvenlik Ajansı NSA, 2010 yılında 4 milyar dolardan fazla masraf yaparak bir süper bilgisayar tesisi kurdu ve bununla gözetlediği kişilerin şifrelerini kırmaya başladı. Ancak, şifreniz hatalı olsa bile kırılması günler sürüyor ve milyonlarca dolara mal oluyor.
Klasik bilgisayarların gerçekten kaliteli bir şifreyi kırması ise 100 ila 1000 yıl alabiliyor. Ancak, kuantum bilgisayarlar farklı. Öyle ki güçlü bir internet şifresi (x+1) gibi 1 milyon polinom içeriyorsa bütün bunları aynı anda çözebilirler.
Kısacası yeterli sayıda qubit içeriyorlarsa şifreleri milyon parçaya bölüp hepsini aynı anda kırarak normalde hacklenmesi 100 yıl alacak bir şifreyi birkaç saniyede çözebilirler. Mesela IBM’in ürettiği 40 qubitlik bir bilgisayarın işlem hacmi 240-1 olacaktır. Çok sayıda qubitimiz olursa şifreleri kırabiliriz.
Ancak bir sorun var
Elimizde bu kadar güçlü kuantum bilgisayarlar yok. 1 milyon qubit gücündeki bir kuantum bilgisayar üretmemiz de yakın gelecekte mümkün değil; çünkü 1 milyon fotonu dolanıklığa sokup bunu saatlerce koruyamıyoruz. Fotonları problem çözmek için sürekli dolanıklığa sokup bu durumu bozamıyoruz. Kısacası kuantum bilgisayarları masada açık unutulan bir notebook gibi günlerce bozulmadan kullanamıyoruz. Dolanıklık hassas bir şey ve kuantum bilgisayarlar çabuk bozuluyor.
İlgili yazı: Mobil İnternette Video İzleme Rehberi
Bize Schrödinger Kedisi gerekiyor
Daha doğrusu Schrödinger kedisini kurtarmayı öğrenmemiz gerekiyor; çünkü bunun kuantum bilgisayarlarda karşılığı hataları düzeltmektir. Örneğin, kuantum bilgisayarın bir şifreyi kırarken işlem hatası yapmasını önlememiz ve hatalı işlemi bilgisayarı kilitlemeden önce geri almamız lazım.
Bunun Schrödinger kedisindeki karşılığı, Karbon 14 atomu bozunup ipi koparmadan ve çekici düşürerek zehir şişesini kırıp kediyi öldürmeden önce bu işlemi geri alarak kedinin hayatını kurtarmaktır. Peki bir atomun bozunmasını yarı yolda durdurup atomu eski haline getirebilir miyiz?
Evet, Yale Üniversitesi fizikçileri buna benzer bir şey yaptılar. Qubitlerden oluşan bir kuantum sistemi kurdular ve qubitlerin dolanıklığı bir bug (bilgisayar hatası) vermek üzere bozulurken işlemi durdurup geri aldılar. Özetle kuantum bilgisayara reset attılar ve kaldığı yerden düzgünce çalışmasını sağladılar.
Biz de bu sayede gelecekte daha güçlü kuantum bilgisayarlar üretecek ve bugün internette kullanılan bütün şifreleri kıracağız. O zaman da dünya düzeni değişebilecek. Gerçi kuantum bilgisayarların kırması zor olan yeni şifreleme teknikleri geliştiriyoruz; ama bunun şifrelerin kırılmasını engelleyip engellemeyeceği ayrı bir yazının konusu. Biz şimdilik Schrödinger kedisini kurtaralım:
İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt
Schrödinger kedisini nasıl kurtardılar?
Yazının başında belirttiğim gibi, fizikçiler Schrödinger kedisinin ölümüne yol açacak türden bir kuantum sıçramasını (bizim örneğimizdeki karbon 14 izotopunun bozunumunu) mikroskopla naklen izlediler. Kısacası hızla kedinin kutusunu açtılar ve atom bozunup zehir şişesini kırmadan önce bunu önleyerek Schrödinger kedisinin hayatını kurtardılar. Nasıl derseniz bunu yapay atom üreterek yaptılar:
Elbette ki insanlık nükleer reaktörlerde daha ağır atomlar sentezliyor ve yeni elementler üretiyor. Ancak, yapay atom böyle bir şey değil. Fizikçilerin ürettiği yapay atom, aslında elektriği direnç göstermeden üreten bir süperiletken tel… Yale üniversitesi araştırmacıları bu telin üzerine Joseph Kavşağı denilen özel bir yalıtkan engel yerleştirdiler. Böylece bir tür yapay atom, daha doğrusu tek bir qubitle çalışan basit bir kuantum bilgisayar üretmiş oldular.
Ardından, bu basit bilgisayardaki işlemleri geri alma çalışmalarına başladılar. Öncelikle süperiletken telden üretilen yapay atomun yörüngesindeki elektronlara mikrodalga sinyalleri gönderdiler ve bunları en düşük enerji düzeyinden bir üst düzeye; yani daha enerjik yörüngelere taşıdılar. Öyle ki bir mikrodalga sinyali atoma enerji verirken, diğeri de atom enerji düzeyini gerçek zamanlı olarak ölçtü.
Sonuç olarak üst yörüngelere sıçrayan elektronlar enerji kaybederek alt yörüngeye düşerken, ilk mikrodalga sinyaliyle kazanmış oldukları enerjiyi foton yayarak, yani ışık saçarak uzaya geri verdiler. İşte Yale araştırmacıları yapay atomun enerji düzeyini bu ışığa bakarak takip ettiler.
Kuantum bilgisayarda hata düzeltme
Ardından tek yapmaları gereken, atom üst enerji düzeyine geçtikten sonra enerji kaybetmeden hemen önce bunu görüp atoma yeniden enerji yükleyerek üst enerji düzeyinde kalmasını sağlamaktı. Bu da elektronların yapacağı kuantum sıçramayı bir anlamda yarı yolda durdurup işlemi geri almak ve kuantum bilgisayar hatalarını düzeltmek anlamına geliyor. Schrödinger kedisi için de bu, Karbon 14 bozunup kediyi öldürmeden hemen önce bu işlemi durdurmak demektir.
İlgili yazı: Fotonik Bilgisayar ve Işığı Maddeye Çeviren Adam
Zamanı tersine çevirmek
Peki kuantum dünyasında zamanı tersine çevirmek mümkün mü? Sonuçta bir işlemi gerçekleşirken geri almak, bir anlamda zamanı da geri almak demektir. Siz de kuantum dünyasında zamanı film gibi geriye sarmanın mümkün olup olmadığını Fizikçiler Zamanı Tersine Çevirdi yazısında okuyabilirsiniz.
Nitekim kuantum fizikçiler bu aralar çok aktifler ve yeni deneylerle bizi şaşırtmaya devam ediyorlar: Örneğin yeni bir kuantum deneyi nesnel gerçeklik yok dedi ve biz de atomları mutlak sıfıra soğuttuğumuz zaman termodinamiğin tersine döndüğünü, yani ısının bir an soğuktan sıcağa aktığını gördük. Peki bunu kullanarak boşluktan bedava enerji çeken devridaim makinesi yapabilir miyiz? Yarın yeni yazıda görüşmek üzere hepinize iyi bayramlar ve iyi tatiller.
Yazı güzel olmakla birlikte bazı hatalar içeriyor. En basiti 230 un asal çarpanları 2^4×5×3 değil. Bu kombinasyon 180 nin asal çarpanları. Ayrıca spin kavramı yörüngesel dönme ile açılklanmaya çalışılmış ki bu doğru değil. Spini popüler bir biçimde açıklamaya çalışırsak bir parçacığın kütlesi, yükü gibi temel bir özelliği olduğunu söyleyebiliriz. Elektronun ve doğadaki birçok temel parçacığın spini iki farklı değer alabilir. Bu değerler iki farklı duruma karşılık gelir. Yazıda da belirtildiği gibi bir elektronun spin durumu bu iki değerden biri olmak zorunda değildir. Bu iki durumun süperpozisyonu olan bir durumda bulunabilir. Bu da bir kubite örnek teşkil eder. Bu spin durumlarının sağa ya da sola dönme şeklinde tarif edilmesi spin kavramını klasik fizik kavramları ile açıklamaya çalışmak olur ama bu imkansız ve yanlıştır.
Merhaba Haydar Bey, yazıda elektronun süperpozisyon halinde bulunabileceği belirtiliyor. Ayrıca spin bir parçacığın sahip olabileceği tek kuantum durumu/özelliği değil tabii ki… Parçacıkları farklı kuantum durumlarıyla süperpozisyona sokmak da mümkündür. Elektron klasik fizikteki gibi kendi çevresinde dönmek yerine sıçramalı spin yapar. Ben ise yazıda sadece konunun anlaşılmasına yetecek detayda bilgi verdim. Hatta sağa ve sola dönmek çok basitleştirilmiş örnektir diye özellikle belirttim. Spin konusunu diğer yazılarımda daha ayrıntılı yazdım. Gerçekten de kuantum dünyasını klasik fizikle açıklamak imkansızdır. Sadece konuyu bilmeyenlerin daha derin okuduklarında konuyu anlamalarına yeterecek seviyede yuvarlak örnekler verilebilir. 180’i ise kontrol edip düzelttim, aslında 240 oluyor. Yorgunluk beşer şaşar yapıyor. Sevgi ve selamlarımla.
Süperpozisyonu açıklamakla ilgili olarak resim altı yazılarına da dikkat çekkmek isterim: “Parçacıkların süperpozisyon hali ölçünce bozulur ve tek bir duruma geçerler. Bizim günlük hayatta gerçeklik dediğimiz şey, tek bir belirli durum almış olan temel parçacıklar, bileşik parçacıklar ve atomlardan oluşur. Bu yüzden bir parçacığın aynı anda iki yerde birden olması aslında doğru bir ifade değildir. Süperpozisyon halindeki bir parçacık bulanıktır ve henüz gerçek dünyada bir seçim yapmamıştır. Ayrıca iki elektronu dolanıklığa sokup bir qubit oluşturursanız ve birini ölçünce sağa dönüyorsa diğeri de sola dönüyor olacaktır. Yine de kuantum intertnetin temeli olan kuantum ışınlamada kullanılan bu anlık etki ışıktan hızlı iletişime izin vermez.”
Fizik insanı hayrete düşürüyor…
Kuantum fiziği ne kadar ilerlerse sanki simülasyon teorisi güçleniyor mu yoksa bana mı öyle geliyor. Elon musk çok eleştiriliyor ama adam uzayda biz yerdeyiz bilemiyorum. Simülasyon da olmak ayrı korkutucu olmamak ayrı korkutucu. Kuantum fiziğinde her şey bitiyor.