Fizikçiler Zamanı Tersine Çevirdi

Bilim insanları kuantum bilgisayarlarda zamanı tersine çevirdi. Yeni teknoloji, parçacıkları dolanıklığa sokarak çalışan kuantum bilgisayarlardaki işlem hatalarını düzeltmekte kullanılacak. Böylece düzgün çalışması için mutlak sıfıra kadar soğutulması gereken kuantum bilgisayarların oda sıcaklığında çalışması sağlanacak.

Kozmik simetri

Peki zamanı tersine çevirmek mümkün mü? Teorik olarak evet: Zaman kristalleri ve kuantum fiziğinde klonlama yasak yazılarında belirttiğim gibi fizik yasaları zamanda simetriktir; yani zaman ileri de aksa, geri de aksa bu yasalar aynen geçerli kalır.

Zaten öyle olmak zorunda: Aksi takdirde fizik bilimi yapmak imkansız olurdu; çünkü evrenin ilk yıllarındaki fizik yasaları ile günümüz arasında büyük farklar görülürdü. Bu da doğanın yapısıyla ilgili tutarsızlıklara yol açardı (Bir şeyin sebebinin sonucundan farklı olması mantıksal çelişkidir).

Ayrıca astronomi gözlemleri de fizik yasalarının uzay-zamanda simetrik olduğunu; yani evrenin her yerinde ve her zaman geçerli olduğunu gösteriyor. Örneğin, 10 milyar ışık yılı uzakta olan ve 10 milyar yıl önceki halini gördüğümüz galaksilerde fizik yasalarının aynı şekilde işlediğini görüyoruz. Uzak galaksilerin ışığı ve ışık ışınlarını oluşturan fotonlar bunu kanıtlıyor.

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Peki zaman neden ileri akıyor?

Zaman neden geleceğe akıyor yazısında bunu yanıtladım; ama özetle, fizik yasaları içinde sadece ikisinin zamanda simetrik olmadığını söyleyebilirim: Kuantum fiziğindeki Heisenberg’in belirsizlik ilkesi ve termodinamik yasaları. Bu yasalar zamanı tersine çevirirsek farklı şekillerde işleyecektir.

Yazının 10 bin kelime olmaması için aşırı basitleştiriyorum 🙂 : Aslında zamanı tersine çevirince bu yasaların temel özellikleri değişmiyor. Sadece parçacıkları yüzde 100 eski haline getirmek mümkün olmuyor. Bu da bir çelişki değil; çünkü belirsizlik ilkesi ve termodinamik istatistiksel yasalardır (aşağıdaki resmin altyazısını okuyun).

Nitekim zamanın neden ileri aktığını bize termodinamik gösteriyor: Örneğin, havası boşaltılmış bir odaya, tavandaki bir köşeye taktığınız borudan hava verirseniz gazlar bir süre sonra odaya eşit ölçüde dağılır.

Ancak, hava moleküllerinin kendi başına odadan çıkıp boruya ve hava tüpüne geri dönmesi o kadar düşük bir olasılıktır ki 1 trilyon yıl bekleseniz bile bunu göremezsiniz. Odanın havasını boşaltmak için pompa kullanmanız gerekir.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Zaman bu yüzden ileri akıyor

İstatistik yasaları gereği, enerji evrene hep eşit ölçüde dağılmaya çalışıyor. Örneğin, sıcak su ve soğuk su karışınca ılık su oluyor. Bu durumda sistemin her yerinde (su kabının içinde) enerji eşit dağılıyor.

Bu da enerjinin bir yerden bir yere akmasını, yani enerji akışını kesiyor. Enerji akışı kesilince de evrende yararlı iş yapamaz oluyorsunuz. Dolayısıyla kapalı sistemlerde entropi her zaman artar diyoruz. Zamanın okunun ileri akmasının nedeni budur.

Zamanı tersine çevirmek için evrendeki bütün parçacıkların, tıpkı bir filmi geri sarar gibi kendiliğinden geri dönmesi; başlangıç noktası ve başlangıçtaki enerji değerlerine geri dönmesi gerekiyor. Bunun için de 10⁵⁰⁰⁰ ila 10^50.000 yıl beklemeniz lazım. Pratikte imkansız olduğundan zaman ileri akıyor.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Peki ya belirsizlik ilkesi?

Heisenberg’in belirsizlik ilkesine göre (yine basitleştirerek söylersek) bir parçacığın konumu ve hızının çarpımı ile hızı ve konumunun çarpımı birbirine eşit DEĞİLDİR.

Kısacası foton gibi parçacıklar o kadar küçük ve hassastır ki fotonları mikroskopla görmeye çalışmak bile onların enerji değerlerini değiştirir. Özetle bir fotonu yerinden oynatmadan göremeyiz.

Bu nedenle parçacıkların konumu ve hızını (daha teknik bir ifadeyle momentum ve konumunu) aynı anda yüzde 100 kesin olarak bilmemiz imkansızdır. Bu da fiziksel sistemlere belirsizlik ekler.

Belirsizlik de işte o odadaki havanın rastgele davranmasına neden olarak kendiliğinden düzenli bir davranış sergilemesini engeller. Odadaki havanın kendiliğinden boruya geri girme ihtimali gerçekleşmeyecek kadar küçüktür. Termodinamik ile kuantum belirsizlik göbekten bağlıdır (Bkz. kuantum ışınlama).

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Hani kuantum bilgisayarlar?

Aslında adını koymadan kuantum bilgisayarların çalışma ilkesini anlatıyorum:

• Kuantum bilgisayarlar foton ve elektron gibi parçacıklarla çalışır.
• Bunları belirsizlik ilkesini kullanarak dolanıklığa sokar ve işlem yapar.
• Bu termodinamik dilinde YARARLI bir iştir.
• Oysa termodinamiğe göre enerjinin tamamını yararlı işe dönüştüremezsiniz.
• Bir miktar enerji atık ısı olarak uzaya kaçar.
• Bu da kuantum bilgisayarı ısıtır; yani parçacıkların rastgele titremesine neden olur.
• Sonuçta kabin memurlarının dediği gibi servis düzeni ve yazılımcıların dediği gibi işlem düzeni bozulur.
• Kuantum bilgisayarın ısınması sisteme düzensizlik ekler (gürültüyü artırır) ve parçacıklar arasındaki dolanıklığı bozar.

Bu ne demek?

Kuantum bilgisayarları neredeyse mutlak sıfıra kadar (-272,5 derece) soğutmazsak bu bilgisayarlar çalışmıyor. Oda sıcaklığı belirsizliği artırıyor ve parçacıkların dolanıklığını bozuyor. Bilim insanları işte bu yüzden zamanın akışını tersine çevirdiler ki hata düzeltme mümkün olsun. Laptop boyunda optik kuantum bilgisayarlar geliştirelim ve bunlar oda sıcaklığında çalışsın; yani günlük hayatta pratik olsun.

İlgili yazı: Devridaim Makinesi Yapmak Mümkün mü?

 

Kuantum bitler

Tabii bunlar bit yeniğindeki bit veya saç biti değil. Bilgi birimi açısından bit diyorum. Hani 8 bit renk derinliği sağlayan DVD yürütücüler yerine, 10 bit renk derinliği sağlayan Blu-Ray yürütücüler kullanmak gibi.

Şimdi, kuantum bilgisayarlarda adından anlaşıldığı üzere bu cihazlarda kuantum bit kullanıyoruz. Bunlara qubit diyoruz. En az iki parçacığı dolanıklığa sokarak qubit oluşturuyoruz. Bunlar klasik bilgisayarlardaki mantık kapıları gibi davranıyor.

Qubitlerin 1 değerini alması (evet, var) elektronik devreyi aç demek iken 0 değerini alması (hayır, yok) elektronik devreyi kapa anlamına geliyor. Bilgisayarların ikilik sayı düzeni ile çalışması bu şekilde oluyor. Ancak, klasik bitten farklı olarak qubitler 0,11 gibi ara değerler de alabiliyor (ondalık sayılar)!

Dahası dolanıklığa sokulan iki foton bir qubit oluşturur. Bu fotonlara a ve b diyelim. Bu durumda bir qubitte 2² = 4 kombinasyon bulunur: ab, ba, aa, bb… Dahası 2 qubitte bu sayı üstel olarak artar. 2³, 2⁴, 2⁵ gibi… Kısacası 128 qubitlik bir kuantum bilgisayar aslında 2¹²⁸ bitlik bir işlem gücüne sahiptir. Özetle tüy sıklet bir kuantum bilgisayar en güçlü klasik süper bilgisayardan daha hızlı olabilir.

İlgili yazı: Yapay Zeka Nedir ve Nasıl Çalışır?

 

Süper bilgisayarlar

Öyleyse kuantum bilgisayarları klasik bilgisayarlarla yapamayacağımız işleri yapmakta kullanacağız. Bugün internette kullanılan bütün şifreleri ve bugün Bitcoin hesaplarını korumakta kullanılan bütün şifreleri kırmak gibi (Tabii kuantum bilgisayarlara dayanıklı şifreler de geliştiriyoruz; ama bu ayrı bir yazı 😉 ).

Zamanı tersine çevirmek

Öyleyse zaman tersine çevirmek, qubitlerin yüksek sıcaklıklarda gürültü yaparak bozulmasını önlemeye yarıyor. Fizikçiler bu teknolojiyi önce elektrikle, yani elektronlarla çalışan kuantum bilgisayarlarda kullanacaklar. Neden derseniz:

Google kullanıcılara daha hedefli online reklamlar göstermek ve NASA uzay uçuşlarına yardım etmek amacıyla D-Wave kuantum bilgisayar üretim şirketini satın aldı. D-Wave kuantum bilgisayarlar elektronlarla çalışıyor. Ancak, fizikçiler D-Wave Vezüv 2’nin kuantum bilgisayar olduğuna İNANMIYOR.

Diyorlar ki elektrikli bilgisayarlar ısınır ve aşırı hassastır. D-Wave de çok hassas ve dolanıklığı koruyamıyorsunuz. Bu sebeple siz kuantum bilgisayar sansanız da aslında o bir klasik bilgisayar. Dolayısıyla zamanı tersine çevirmek öncelikle elektronik kuantum bilgisayarların düzgün işlemesini sağlayacak.

İlgili yazı: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?

 

Zamanı çevirmek Rusların işi

ABD yönetimi Rusya ile çatışmayı seçebilir; ama bilimin sınırları yoktur. Moskova Fizik ve Teknoloji Enstitüsü (MIPT) fizikçileri, İsviçre ve ABD üniversitelerinde çalışan meslektaşlarıyla birlikte, kuantum bilgisayarlarda zamanı tersine çeviren bir teknoloji geliştirdiler.

Böylece soğutma sistemiyle birlikte oda büyüklüğüne ulaşan bilgisayarlar değil de oda sıcaklığında çalışan küçük kuantum bilgisayarlar üreteceğiz ve bunlar günlük hayatımıza girecek. 🙂

Nitekim Rus ekip lideri ve MIPT Kuantum Enformasyon Fizik Laboratuarı başkanı Dr. Gordey Lesovik: “Yapay yöntemler kullanarak zamanın termodinamik okunun tersine evrim geçiren bir kuantum durumu oluşturduk” diyor.¹ Bu sistemi de önce IBM’in kuantum bilgisayarlarında kullanacaklar.

Nasıl?

Bir bilgisayarın çok sayıda qubit ile zor bir matematik problemini çözdüğünü düşünün. Bu qubitler sayısız işlem yapacak ve 0, 1 ve 0,475757 gibi takip edilmesi imkansız çok sayıda değer alacaklar. Biz de işlem aşamalarını değil, sadece çözüm çıktılarını görebileceğiz. Oysa yeni yöntem sayesinde, bilgisayar hata verirse işlemi geri sarıp aynı qubitlerle tekrar işlem yapabileceğiz.

İlgili yazı: Mobil İnternette Video İzleme Rehberi

 

Ne gerek var?

Eski qubitleri düzeltmek yerine yeni qubitler oluştursak ya? Aslında yeni qubit oluşturmak daha zor, pahalı ve uzun bir işlem. En iyisi kuantum bilgisayarların hata veren eski qubitleri sıfırlayarak yeniden işlem yapmasını sağlamak.

Bu teknoloji önce mutlak sıfırdan daha yüksek sıcaklıklarda çalışan; ama yine de -180 dereceye kadar soğutulması gereken daha ekonomik kuantum bilgisayarlar geliştirmekte kullanılacak. Oda sıcaklığında çalışan notebook boyunda optik kuantum bilgisayarlar daha sonra gelecek.

Bunu belirsizlik ilkesinden kaynaklanan kuantum dolanıklığını tersine çevirerek başarıyorlar. Sonuçta a ile b elektronlarını dolanıklığa sokar ve a elektronunun kuantum durumunu değiştirirseniz b elektronunu da değiştirirsiniz. Ancak, b elektronu ile a elektronunu da değiştirebilirsiniz! Kuantum dolanıklık zamanda simetriktir. Ancak önemli bir noktayı belirtmeliyiz:

Qubitleri resetlemek bir iştir, ama termodinamik açıdan yararlı iş değildir. Bu nedenle dolanık parçacıklar için zamanı tersine çevirmek termodinamik yasalarına aykırı değildir. Dahası qubit sıfırlarken, bu qubitleri oluşturan parçacıkları da aynı yere, aynı konuma geri getiremiyoruz. Bu nedenle gerçek anlamda zamanı tersine çevirmiyoruz. Medyada yazılanın tersine bu, sadece hata düzeltmekte kullanılan bir kuantum hilesi. Şimdi bunu nasıl yaptıklarına daha yakından bakalım.

İlgili yazı: 18 Ayda Nasıl 24 Kilo Verdim?

 

Zamanı tersine çevirmek

İki elektrondan oluşan bir e-qubiti başlangıç durumuna geri getirince en azından o qubit için zamanı tersine çevirmiş oluyoruz. Bunu lazer ışınlarıyla elektronlara ateş ederek yapıyoruz: Lazer ışınları fotonlardan oluşuyor. Bunlar da hem parçacık gibi davranıp elektronları kinetik olarak etkiliyor, hem de dalga gibi davranarak elektromanyetik dalgalarla, enerji alanıyla etkiliyor.

Şimdilik hata veren qubitleri resetlemek yüzde 85 oranında mümkün oluyor. Bu yüksek bir oran, ama kuantum bilgisayarların kendini otomatik olarak düzeltmesi için yeterli değil. Öncelikle yüzde 99 gibi bir oran elde etmeliyiz. Sonra da bunu çok sayıda qubit için başarmalıyız.

Nitekim normal bilgisayarlardan daha güçlü kuantum bilgisayarlar üretmek için en az 40-50 qubit kullanmak zorundayız. Bu teknolojiyi hayata geçirdikten sonra da notebook kuantum bilgisayarlarımız olacak.

Öyleyse zaman neden geleceğe akıyor? Peki zamanı tersine çeviren devridaim makineleri yapmak mümkün mü? Dahası insan beyni bir kuantum bilgisayar mı? Zor sorular ama gelecek kuantum bilgisayarlarda yatıyor. Hepimize muhteşem bir hafta sonu dilerim.

Kuantum bilgisayar nasıl çalışıyor?

¹Arrow of Time and its Reversal on IBM Quantum Computer (pdf).