Işığı Nasıl Yavaşlatıyor ve Donduruyoruz?
Bilim insanları ışığı yavaşlatarak dondurmanın yolunu buldu. Yeni teknoloji kuantum bilgisayarlarda bellek sistemini geliştirmek, kuantum internet kurmak ve kuantum şifreleme yapmak için kullanılacak. Işığın nasıl dondurulduğunu fotonik bilgisayar bağlamında görelim. Sonuçta ışık hızı nedenselliğin hızı olduğu için fizikte daha önemli bir şey yoktur. Işık suda yüzde 25, camda yüzde 35 ve elmasta yüzde 59 oranında yavaş yol alır. Ancak, evrendeki en hızlı şey olduğu için yavaş giderken de hızlıdır. Oysa bilim insanları ışığı bile dondurmayı başardılar. Peki bunu nasıl yaptılar?
Işığı yavaşlatarak başlayalım
Fizikçiler laboratuarda ışık ışınlarının bisikletten yavaş gitmesini sağlıyor ve basit bir düğmeye basarak ışığı olduğu yerde durdurmayı başarıyor. Tabii bunu yapmak kolay değil. Özellikle ışığın yavaşlarken bile ışık hızında gittiğini dikkate aldığımızda. 😮 Ancak, ışığı dondurmak için çok çalışıyoruz; çünkü bunu yaparsak gerçekten kullanışlı kuantum bilgisayarlar geliştirebiliriz.
Einstein ışığın sırtına binebilse zamanın donacağını düşünmüştü ki bu doğrudur. Kütleli cisimler ışık hızına yaklaştıkça başkasının bakış açısından zamanı yavaşlar ve ışık hızında zaman donar. Işık ışınlarının kütlesi yoktur ama ışık hızında gittikleri için yaşlanmazlar. Nitekim ışık önünü görebilseydi evrendeki tüm anları üst üste binmiş bir fotoğraf karesi olarak algılardı. Gerçi ışık hızında gidemesek de ışığı yavaşlatmak mümkündür:
1991’de geliştirilen bu teknolojiye elektromanyetik olarak eyletilen saydamlık diyoruz (indüksiyon eyletim demektir) ama günlük hayatta buna ışığı geçirmeyen mat (opak) bir maddeyi alıp kusursuz şekilde saydam materyale dönüştürmek de diyebilirsiniz. Nasıl olur derseniz ışığın mat cisimlerin içinden geçmesini elektronların engellendiğini düşünün. Elektronlar yaydığı elektromanyetik alanla fotonları emer, yansıtır ya da saptırır. Böylece cisimlerin dış yüzünü görür ama içini göremezsiniz. Peki elektronları ışığın yolunu kesmekten nasıl vazgeçiriyoruz? Süper soğuk gazla:
İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?
Bose-Einstein Yoğuşkusu
Süper soğuk gazları oluşturan atomlar sıvı helyum yazısında gördüğümüz gibi kuantum dolanıklığa girerek tek bir atom gibi titreşmeye başlar. Biz de maddenin bu haline Bose-Einstein Yoğuşkusu diyoruz (Bu terim İngilizce condensate’in karşılığı olarak yoğuşmaktan geliyor. Office 365’in yoğuşkuyu hâlâ yazım kılavuzuna eklememiş olmasını ise esefle kınıyorum 😊). Her durumda ışığı yavaşlatmak için mutlak sıfıra dek soğutulan sodyum buharı gibi bir yoğuşku kullanıyoruz.
Böylece elinizde dev bir atom gibi davranan sodyum buharı oluyor ki ışık ışınlarını yavaşlatmak için bunun vakumda bulunması gerekiyor. Aksi takdirde sodyum atomlarının dolanıklığı bozuluyor ve yoğuşku dağılarak sıradan soğuk gaza dönüşüyor. Ayrıca atomun üç yörüngesinin olması gerekiyor ve yalnızca sodyum buharı ile diğer bazı gazlar bu özel şartı karşılıyor.
Başlangıçta elektronlar en düşük enerji düzeyinde, birinci yörüngede bulunuyor. Ardından fizikçiler sodyum buharına iki lazer ışını tutuyor. İlk lazere sonda ışını deniyor ve bu ışın yalnızca elektronları ilk yörüngeden üçüncü yörüngeye taşıyacak kadar enerji sağlıyor. Öyle ki fizikçiler ilk seferinde daha güçlü bir ışın kullansa elektronlar fotonları anında soğururdu. Bu da ışığın buhardan geçmesini önleyerek yoğuşkuyu matlaştırırdı fakat fizikçiler sonda ışının ardından ikinci bir lazer kullanıyor.
Eşleme ışını denilen bu ışın da sadece ikinci yörüngedeki elektronları üçüncü yörüngeye taşıyacak kadar enerji içeriyor. Oysa Pauli dışarlama ilkesine göre bir yörüngede en fazla iki elektron bulunabilir. Eh, birinci yörüngedeki elektronlar sonda ışınıyla üçüncü yörüngeyi zaten işgal ettiği için eşleme ışınıyla yine üçüncü yörüngeye yönlendirilen elektronlar iki arada bir derede kalıyor. Bu ne demek derseniz:
İlgili yazı: Mars Ay Kadar Büyük Olmayacak
Işığı emen elektronlar
Eşleme ışınının ikinci yörüngedeki elektronları üçüncü yörüngeye taşıması imkansız olduğu için bu ışın elektronlar tarafından engellenmeden sodyum buharı içinden geçip gidiyor; ama iki ışını birden ateşlerseniz garip bir şey oluyor: İlkin eşleme ışınını ve sonra sonda ışınını kapatırsanız bu kez sonda lazeri buhardan geçip gidiyor, yani sodyum buharı saydamlaşmış oluyor. 😮
Eşleme ışını elektronları ikinciden üçüncü yörüngeye çıkarmaya çalışırken sonda ışını da birinci yörüngeden üçüncüye çıkarmaya çalışıyor. Işınlar tarafından iki yana birden çekilen elektronlar da tuzağa düşerek kımıldayamaz hale geliyor ve yalnızca ilk iki yörüngeyi doldurabiliyor. Üçüncü yörünge boş kalırken ilk iki yörüngede tutsak olan elektronlar hiçbir ışını ememiyor.
Eşleme ışını sahip olduğu enerjiyi elektronları ilk iki yörüngeye atmaya harcadığından atomlar bu ışını geçirmiyor, onun için mat oluyor. Fırsattan yararlanan sonda ışını ise boş üçüncü yörüngeyi bir delik gibi kullanarak atomun içinden geçip gidiyor. Böylece sodyum atomları sonda ışını için saydam oluyor. Fizikçiler maddenin belirli frekans ve dalga boyundaki ışınlar için saydamlaştığı bu duruma “karanlık durum” diyor. Elbette ışığa bunu yapmanın bir bedeli de var:
Sonda ışını sodyum buharından ancak çok yavaş bir hızla geçebiliyor. Sonuçta Heisenberg’in belirsizlik ilkesi gereği hız artarken konum belirsizleşir. Bu da fotonların elektronlarla rastgele etkileşime girmesi neticesinde maddenin tümüyle matlaşmasına neden olur. Dahası sonda ışınının buhardan çıkış frekansı buhara giriş frekansından az farklıdır. Neden derseniz kuantum dünyasında olduğumuzu unutmayın: Lazer ışınları aslında birbirinden az farklı frekanslarda dalgalanan birçok ışından oluşan bir demettir.
Öyleyse ışığı nasıl yavaşlatıyoruz?
Lazer demetindeki her ışın farklı hızda yavaşlar ama bütün ışınlar birbiriyle etkileşerek hızını eşitler: Demetteki bazı ışınlar yavaşlarken bazısı az hızlanır ve termodinamik uyarınca en verimli frekansla dalga boyunda buluşur. Böylece orta yolu bulan sonda lazeri belirli ölçüde yavaşlamış olur. Lazerin hızı saatte 25 km’ye düşer ki isteseniz bu ışığı bisikletle geçebilirsiniz. 😊 Tek sorun şudur: Işık su damlacığı boyundaki sodyum buharından geçerken sadece 1,5 saniyeliğine yavaşlar ve siz daha ilk pedalı çevirene kadar lazer ışını dışarı çıkmış olur. :p Yine de yavaşlayan lazer ışın demeti aşırı incelir:
İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili
Işığı kuantum bilgisayarda kullanmak
Lazerin hem yavaşlaması hem de incelmesi çok iyi bir şeydir: Lazerleri bilgisayarların içinde yavaşlatırsanız bunları optik bellek olarak kullanabilirsiniz. Şimdiye dek lazerleri Starlink uzaydan internet örneğinde olduğu gibi veri taşımakta kullanıyorduk ama lazer yavaşlatma teknolojisini ticarileştirdiğimiz zaman kısa süreli bellek, yani RAM olarak da kullanabileceğiz.
Lazerin incelmesi ise iki lazer ışınını dolanıklığa sokmayı sağlar. Böylece lazer ışınlarıyla optik RAM’e veri kaydedebilir ve anlık olarak silebiliriz. Bu da kuantum bilgisayar için çok yararlıdır; çünkü kuantum bilgisayarlar dolanıklıkla çalışır ama dolanıklık çok hassastır ve en ufak müdahalede bozulur. RAM’e yazma işlemleri dolanıklığı bozacağı için kuantum RAM kullanmayı da engeller.
Ancak, süper ince ve yavaş lazer ışınlarını kolayca dolanıklığa sokup kuantum RAM olarak kullanabiliriz. Burada RAM’in geçici bellek olduğuna ayrıca dikkat etmek gerek: RAM’e yazmak ya da RAM’i silmek ışığı yavaşlatarak yapılır ama RAM’de veri depolamak ışığı kısa süreliğine dondurmayı gerektirir! Peki bunu nasıl yapıyoruz?
Bu kez eşleme lazerini kullanıyoruz: Eşleme lazerinin elektronları birinci ve ikinci yörüngeye hapsetmesi demek aynı zamanda bu yörüngelere kuantum veri biti kaydetmek demektir. Eşleme ışınını tam atomun içinden geçerken kapatırsanız sahip olduğu enerji elektronlarda kodlanır ve atomu özgün ışının frekansıyla tekrar aydınlatırsanız elektronlar emdiği enerjiyi (kuantum biti) aynen geri verir. Öyleyse 1) Sonda ışınını anakart veri yolu olarak ve 2) Eşleme ışınını da veri kaydetme, silme ve okuma ışını olarak kullanabiliriz. Böylece gelecekte ışıkla çalışan optik kuantum laptoplar geliştirebiliriz.
İlgili yazı: Virüsler Canlı mı ve RNA Yaşamın kökeni mi?
Işık dondurmakta ne aşamadayız?
Her ne kadar ışığı yavaşlatmak muhteşem bir teknoloji olsa da bilim insanları ürün ticarileştirme ve ölçekleme için günlük hayatta kullanılacak kuantum bilgisayarlar geliştirmek için çok çalışıyor. Örneğin ışığı mutlak sıfıra yakın Bose-Einstein yoğuşukları yerine oda sıcaklığında yavaşlatmayı deniyor.
2005 yılında IBM ışığı 300 kat yavaşlatan optik çipler geliştirdi. Her ne kadar bu çipler süper soğuk sodyum buharı gibi ışığı 30 milyon kat yavaşlatmasa da kuantum bilgisayar için çok önemli bir adımdır. Işığı terbiye etmek bir gün evren simülasyonu yapan hiperoptik bilgisayarların önünü açacaktır.
Özetleyecek olursak fizikçiler elektromanyetik olarak eyletilen saydamlık teknolojisiyle ışığı yavaşlatıyor ve donduruyor. Böylece optik kuantum bilgisayarlar ve yeni kuantum şifreler geliştirip kuantum internet ağları kuruyor. Peki fotonik bilgisayarlar kuantum bilgisayar teknolojisiyle optik bilgisayarları birleştirerek laptop boyunda kuantum bilgisayar geliştirmenin önünü nasıl açıyor?
Onu da şimdi okuyabilir ve Kuantum Darwinizm konjonktürüyle evrende nesnel gerçekliğin nasıl ortaya çıktığını görebilirsiniz. Kuantum bilgisayarlara dayanıklı olarak geliştirilen yeni kuşak şifreleme yöntemlerinin bile kutrit dolanıklığı kullanan kuantum bilgisayarlar tarafından gelecekte nasıl kırılacağına bakarak kuantum üstünlüğün ne zaman geleceğini öğrenebilirsiniz. Aşırı sıcakların etkili olacağı hafta sonunda güneşten korunup tadını çıkarak güzel günler geçirin.
Işığı donduran kristaller
1Efficient reversible entanglement transfer between light and quantum memories
2Scaling Up Electronic Structure Calculations on Quantum Computers: The Frozen Natural Orbital Based Method of Increments
3Freezing Light via hot gases
4Non-monotonic response and light-cone freezing in gapless-to-(partially) gapped quantum quenches of fermionic systems
