Kuantum Işınlama ve İkinci Kuantum Devrimi Nedir?

Kuantum ışınlama nedir, nasıl çalışır ve 1990’larda ikinci kuantum devrimini nasıl başlattı? Peki kuantum ışınlamayla ışıktan hızlı iletişim mümkün mü? Kuantum fiziği 116 yaşında ve birinci kuantum devrimi kuantum mekaniğinin geliştirilmesiyle yaşandı. Başta Planck ve Einstein olmak üzere fiziğin devleri atomun içyapısını açıkladılar. Parçacıkların aynı zamanda dalga gibi davrandığını gösterdiler. Schrödinger olasılık dalga fonksiyonunu yazdı. Heisenberg belirsizlik ve Pauli de dışarlama ilkesini gösterdi.

Biz de süperpozisyondan söz eder, yani “kutunun içine açıp bakmadıkça kediler hem canlı hem ölü müdür” diye sorar olduk. İşte buna kuantum fiziğinin doğuşu ve birinci kuantum devrimi diyoruz. Biraz kasarsanız Feynman diyagramlarını, elektrozayıf kuvveti ve güçlü kuvvetin tanımlanmasını da buna ekleyebilirsiniz. Öyleyse kuantum ışınlama ikinci kuantum devrimiyle birlikte gerçekliğin doğasıyla ilgili tartışmaları nasıl başlattı? Hemen görelim:

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Kuantum ışınlama ve uzaktan etki

Her şey Albert amcayla başladı. Max Planck’ın morötesi felaketi çözdüğü yıllarda, Einstein da fotoelektrik etkiyi tanımlayarak kuantum fiziğinin kurucularından biri oldu. Öyle ki Bohr, Heisenberg, Schrödinger, Pauli, Dirac ve de Broglie hep Einstein’dan sonra gelmiştir. Dahası kuantum mekaniği biraz da Einstein’a tepki olarak geliştirilmiştir. Nitekim kuantum ışınlamanın temeli olan kuantum dolanıklığı, sırf onun uzaktan tuhaf etki dediği şeye itiraz etmek için ortaya koymuşlardır. Peki bu tartışma nasıl çıktı hocam derseniz: Kuantum mekaniğinde bir ölçümün sonucunu öngöremezsiniz.

Yalnızca belirli bir ölçümün gerçekleşme olasılığını hesaplayabilirsiniz. Örneğin bir elektronunun sağdan mı soldan mı gideceğini bilemezsiniz; ancak yüzde 70 olasılıkla sağdan gideceğini kesin bilirsiniz. Klasik fizikte, bir askeri toptan ateş edersem güllenin havada yay çizerek yere nasıl düşeceğini kesin olarak hesaplayabilirim. Bunun için top, gülle, yerçekimi, atış açısı, arazinin engebesi gibi özellikleri bilmem yeterlidir. Kuantum mekaniği ise gülle rotasının hesaplanmasında her zaman hata payı vardır der.

Dahası gülle bir kuantum parçacığı olsa sağa, sola ve çok düşük bir olasılıkla da herhangi bir yere düşebilir. Kuantum gülleyi önünüzdeki düşmana ateşleseniz bile Himalayaların çevresinden dolanıp arkadan sırtınıza çarpma olasılığı vardır! 😮 Bunlar klasik bilgi hocam derseniz bilin ki Einstein kuantum mekaniğinin bu garipliklerinden çok rahatsız olmuştur. Bunları kabul etmek istememiştir. Ona göre evrende kesin ölçümler mümkündü. Sadece bunlar bizim kuantum mekaniğiyle göremeyeceğimiz yerel gizli değişkenlere bağlıydı. Dolayısıyla belirsizlik ilkesi yoktu. Matematikteki determinist kaos teorisi uyarınca bilinemezlik ilkesi vardı. Einstein bunu göstermek için EPR deneyini tasarladı. Peki bu nedir?

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Kuantum ışınlama ve dolanıklık

1935 yılında Einstein, Boris Podolsky ve Nathar Rosen’la EPR, yani uzaktan tuhaf etki başlıklı ünlü bir makale yazdı. Bu makalede kuantum fiziğinin eksik olduğu, doğanın kuantum olamayacağını öne sürdü. İşin ilginci kuantum mekaniğine bir anlamda karşı olan bu üçlü, kuantum mekaniğinin temelinin dolanıklık olduğunu anlayan ilk ekipti! Bu o kadar önemli bir farkındalıktı ki modern elektroniğin ve kuantum ışınlamanın temelini attı. Bugün kuantum ışınlama, kuantum bilgisayarlar ve özellikle kuantum internetin temelini oluşturuyor. Peki bu nasıl oldu?

Dolanık parçacıklar aynı özelliği paylaşır ama bu özellik dolanık parçacıkların tamamıyla belirlenir. Bu özelliği tek bir parçacığı ölçerek öğrenemezsiniz. Dahası iki parçacığı dolanıklığa sokan özellik siz ölçüm yaptıktan sonra ortaya çıkar. Örneğin dolanık iki elektronunun spin toplamının 1’e eşit olduğunu bilir ama hangisinin spin yukarı ve hangisinin spin aşağı durumda olduğunu bilemezsiniz. Dahası belirsizlik gereği bir parçacığı değiştirmeden ölçmeniz de imkansızdır. Yine de dolanık parçacıklardan birinin spinini ölçerseniz bu ölçüm, önceden bilemeyeceğiniz şekilde diğer dolanık eşin spini de değiştirir. Hem de ne kadar uzakta olursa olsun anında değiştirir.  Einstein’ın uzaktan tuhaf etki dediği şey budur:

Einstein, EPR düşünce deneyi ile kuantum dolanıklığın gerçek olmadığını göstermeyi amaçlamıştır. Buna karşın fizikçiler 1960’lara dek EPR makalesini pek ciddiye almadılar. Bu deneyi yapmak ve yanlış olduğunu göstermek için de çabalamadılar. Sadece kuantum mekaniğinin gerçek olduğunu gösteren diğer deneyleri baz alarak kuantum fiziğine ve dolanıklığa olan inancı korudular. Ta ki 1960’lara değin… Peki 60’larda ne oldu? Kuantum fiziğinin devlerinden biri olan John Stuart Bell geldi:

İlgili yazı: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?

 

Kuantum ışınlama ve Bell eşitsizliği

Bell, CERN’de çalışmış bir fizikçiydi. EPR makalesini okuyunca bir gizli değişkenler teorisinin kuantum mekaniğiyle aynı sonuçları verip veremeyeceğini merak etti. Fizikçiler Bell’e dek sessizliğini korumuştu; çünkü kimse bunu test edecek bir deney düşünmemişti. Bell ise kendi adıyla andığımız Bell Eşitsizliği deneyini tasarladı. Bu deneyi tanımlayan varsayımlar uyarınca gizli değişkenler teorileri bir tür eşitsizliğe yol açmalıydı. Kuantum mekaniği ise eşitsizliği ihlal edecekti. Harika ama bu sadece matematiksel bir düşünce deneyiydi.

Bell eşitsizliği deneyini ilk kez 1972’de California Üniversitesi, Berkeley’den Stuart Freedman ve John Clauser yaptı. Yaptıkları ölçümlerde eşitsizliğin ihlal edildiği ve doğanın kuantum olduğunu kanıtladılar. Yine de bu tartışmalı bir sonuçtu; çünkü deney sonuçlarında hata payı yüksekti. Gizli değişkenleri gözlemlerle bağdaştıracak bazı boşluklar vardı. Örneğin dolanık parçacıklara bakan iki detektörün birbirini etkileyecek zamanı varsa uzaktan tuhaf etkiden (EPR) söz edebilirdiniz.

Neyse ki 70’lerin sonunda bu alana hevesle yönelen yeni fizikçiler, tek tek fotonlarla deney yapıp ölçmenin yolunu buldular. Böylece işler kolaylaştı ve 80’lerde Alain Aspect ve ekibi, geriye kalan açıkları kapatarak eşitsizliğin ihlal edildiğini yüksek kesinlikle gösterdi. Birçok fizikçi için konu kapanmıştı. Einstein hatalıydı ve gizli değişkenler yoktu. Bell teoreminde geriye sadece bir boşluk kalmıştı ki o da blogda bilimsel ve felsefesi açıdan defalarca ele aldığım özgür irade konusudur. Peki ya ikinci kuantum devrimi ve kuantum ışınlama?

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

 

Devrim başlıyor

Bütün bu deneyler kuantum dolanıklığın doğayı anlamak, ölçmek ve test etmekte ne kadar yararlı olduğunu gösterdi. Örneğin aynı anda sadece iki parçacık tam dolanık olabilir; ama üç parçacığı kısmi dolanıklığa sokabilirsiniz. Böylece kuantum şifreleme yapacak veya geleneksel şifreleri kolayca kıracak süper güçlü kuantum bilgisayarlar geliştirip kuantum üstünlük yakalayabilirsiniz. Bir şeyi ölçmek onu değiştirdiği için gözetlenmesi imkansız kuantum internet kurabilirsiniz. Sonuçta biri iletişiminizi gözetlerse bağlantı kopacaktır. Biri kuantum şifreyi kırarsa bunu hemen anlarsınız.

Kuantum dolanıklıkla nesnel gerçekliğin nasıl ortaya çıktığını ve bilinçli gözlemcinin gözlem sonuçlarını etkileyip etkilemediğini test edersiniz. Hatta kuantum parçacıklar için zamanı geri alabilirsiniz! Elbette dolanık parçacıklarla daha kesin ölçümler de yaparsınız. Örneğin egzotik malzeme ve alaşımlar geliştirirsiniz. Kütleçekim dalgalarını ve manyetik alan etkileşimlerini ölçersiniz. Tabii bu da ünlü kuantum ölçüm problemine yol açar (sahi, bir şeyi ölçerken aslında neyi ölçüyorsunuz?).

Sonuç olarak bu deneyler ikinci kuantum devrimini başlatan kuantum ışınlamanın önünü açtı. Öyle ki kuantum ışınlama Bell teoremiyle yapılır. Doğanın kuantum olduğunu gösteren en kesin deneyler kuantum ışınlama deneyleridir. Peki kuantum ışınlama nedir ve nasıl çalışır?

İlgili yazı: Yıldızlar Ne Kadar Yaşar ve Nasıl Ölür?

 

Kuantum ışınlama nasıl çalışıyor?

Kuantum ışınlama parçacıkların dolanıklığa sokulan kuantum durumlarıyla enformasyon göndermenizi sağlar. Hem de ne gönderdiğinizi bilmeden! Detaylarını anlattım fakat basitçe şöyle çalışır… Önce iki parçacığı dolanıklığa sokar ve içlerinden birini arkadaşınıza gönderirsiniz. Burada enformasyondan kasıt parçacıkların kuantum durumudur. Oysa ölçümden önce bu da belirsizdir! Sizdeki parçacık ile arkadaşınıza gönderdiğiniz parçacığın kuantum durumu ortak olup bulanık ve belirsiz bir haldedir. Buna süperpozisyon deriz. Sonra siz kendi parçacığınızı ölçersiniz. Böylece durumu belirlenir.

Şunu da unutmayın: Bir parçacığı ölçmek kuantum yazı–tura atmak gibidir. Kuantum ışınlamada iki dolanık parçacık ve dolayısıyla kuantum paranın iki yüzü vardır. Öte yandan süperpozisyondaki dolanık kuantum durum paranın dik gelmesi gibidir. Dahası kuantum parayı 100 kez ölçseniz 50 kez yazı ve 50 kez tura gelmez. Her 100 ölçümde 10 kez tura ve 90 kez yazı ya da 80 kez tura ve 20 kez yazı gibi farklı sonuçlar elde edersiniz. Bell eşitsizlik deneylerinde ihlal edilen eşitsizlik işte budur!

Öyleyse kuantum paranız (sizdeki dolanık parçacığın ölçümleri) rastgele sonuçlar verecektir. Diyelim ki siz parçacığın yazı–tura, spin aşağı–spin yukarı durumlarından birini dikkate almaya karar verdiniz. “Ben parçacığımı zibilyon kere ölçtüm ve en son ölçümdeki spin yukarı durumu dikkate aldım. O andan itibaren de ölçüm yapmadım” dediniz. İşte bu kuantum ışınlamada ışınlanacak enformasyonu kodlamak demektir. Bu neden önemli derseniz:

İlgili yazı: Gezegenler Güneş Çevresinde Nasıl Dönüyor?

 

Kuantum ışınlama kolay mı?

Arkadaşınız siz ölçüm yaptığınızı söylemeden önce kendi parçacığını ölçmeyecektir. Siz ölçüm yaptıktan sonra kendi parçacığına baktığında ise tıpkı sizinki gibi rastgele durumlarla karşılaşır. Ne de olsa o da ölçüm sırasında elindeki parçacığı değiştirir. Ezcümle arkadaşınız yaptığı ölçümlerden hangisinin sizdeki dolanık parçacıktan kaynaklandığını bilemez. Elbette arkadaşınız yüzünden sizin parçacığınız da değişir ama siz ölçüm yapmayı durdurmuş olduğunuzdan bu, kuantum ışınlamayı etkilemez. Bunun yerine arkadaşınıza “ben spin yukarı durum ölçtüm, seninki spin aşağı ise bil ki bendendir” dersiniz.

İşte ancak ondan sonra kuantum ışınlama gerçekleşmiş olur. Sizin parçacığınızın enformasyonu silinir; çünkü arkadaşınızın kendi parçacığına bakması sizinkini tersten etkilemiştir. Buna karşın sizin ölçtüğünüz enformasyonun tersi (spin aşağı durum) arkadaşınızın ölçtüğü parçacığa ışınlanır. Bunun için de ışıktan yavaş bir şekilde, e-posta, telefon veya mesajla arkadaşınıza durumu bildirmeniz gerekir. Dolayısıyla kuantum ışınlama iki şeyi yapmaz: 1) Işıktan hızlı iletişime izin vermez ve 2) Enformasyonu klonlayamazsınız; çünkü ışınlama sırasında sizin parçacığınızın durumu sıfırlanır.

Bir parçacık birden fazla parçacıkla tam dolanık olamaz demek de budur. Enformasyonun klonlanmasına izin vermeyen kuantum teoremine ise Klonlama Yapılamaz Teoremi deriz. Zaten evrende her enformasyona bir parçacık karşılık gelir. Parçacıklar ise özünde enerjidir. Ya bunlar elektron gibi kütlelidir (ama kütle enerjiden türeyen bir özelliktir) ya da foton gibi kütlesizdir ki o zaman da saf enerjidir. Öte yandan enerjinin korunumu yasasına göre enerjiyi yok edemez veya yoktan var edemezsiniz. Dolayısıyla enformasyonu klonlayamazsınız. Bütün bu sebeplerle ikinci kuantum devrimi kuantum ışınlamadır:

İlgili yazı: Y Kromozomu Kayboluyor. Peki Ya Erkekler?

 

Kuantum ışınlama ve Çin uydusu

Dikkat ederseniz kuantum internet, kuantum ışınlamanın bir formudur. Kuantum bilgisayarların işlemci, anakart ve RAM gibi farklı parçalar arasında veri aktarması kuantum ışınlama teknikleriyle olacaktır. Buna rağmen kuantum ışınlama, Yıldız Gemisi Atılgan’ın kaptanı James Tiberius Kirk’ü gemiden alıp gezegenin yüzeyine ışınlamak değildir. Kuantum ışınlamada madde (parçacıklar) yer değiştirmez. Parçacıklarla özdeş olan enformasyon yer değiştirir. Gerçi Bell’in dediği gibi enformasyonu ışınlarken eşlenik olduğu maddeden koparmak ilk bakışta sandığımız gibi çelişkili olmayabilir.

Ne de olsa evrende yerel olmayan gizli değişkenler olabilir. Eh, Richard Feynman kuantum mekaniğini anladığını sanan biri hiç anlamamış demektir derken bunu kastediyordu. 😉 Öyleyse kuantum ışınlamanın asıl önemi, en iyi şifrelenmiş ve potansiyel olarak şifresi kırılamayacak bir mesajlaşma teknolojisi olmasıdır. Nitekim Çin, bu konuda ABD, İsrail ve İngiltere’yi ekarte ederek daha 2017’de uzaydan, 2000 km uzaktan kuantum internet bağlantısı kurdu. Şimdi de hasımlarıyla başa baş yarışıyor.

İlgili yazı: Yerkabuğu Nasıl Oluştu ve Kıtalar Neden Kayıyor?

 

Kuantum felsefenin gelişi

Kuantum ışınlama sayesinde nesnel gerçekliğin nasıl ortaya çıktığından özgür iradeye kadar en derin felsefi soruları artık bilimsel zeminde tartışabiliyoruz. Tek eksiğimiz, “Ya bunlar felsefe… Ben sus ve hesapla kafasındaki bilim insanıyım. Bunların nesini tartışayım” DEMEYEN bilim insanlarıyla kuantum fiziğini gerçekten bilen filozoflardır. 😊 Bu konuda en sağlam tartışmayı başlatan kişiyse bugün 90 yaşında olan (uzun ve sağlıklı yaşa) Fransız kuantum fizikçi ve filozof Roland Omnès’dir.

Onun Kuantum Felsefesi kitabı Türkçeden de çıktı ama ondan önce, fizikçiler için yazılmış olan Kuantum Mekaniğinin Yorumlanması kitabına bakmanızı öneririm. Neden derseniz Omnes özellikle Converging Realities (Yakınsayan Gerçekler) kitabında Fizizim felsefe akımını savunur. Buna karşın bir kuantum filozofu tarafsız değerlendirmek için önce kuantum fiziğini iyi bilmek gerekir. Fizizimi başka zaman anlatırım ama Omnes, kuantum fiziğine dayalı sağlam bilgi felsefesi yapan az sayıdaki araştırmacıdan biridir. İçini boşaltmadan, tersine doldurarak postmodern kuantum felsefesi konuşur.

Öyleyse iki devrim var

Bilimde ikinci kuantum devrim başladı ve nihayet felsefede kuantum devrim hızlanıyor ki postmodernizmle kuantum mekaniği arasında da sıkı bir ilişki vardır. Oysa yazıyı bu devrimi başlatanları anarak bitirmek istiyorum… Anton Zeilinger, John Clauser ve Alain Aspect’in Nobel fizik ödülü almasının zamanı geldi de geçiyor. Gerçi Roger Penrose bile kara delik teorisiyle 84’ünden sonra, 50 yıl geç aldı Nobel ödülünü… Özetle acele et Nobel kurulu! Bu değerli insanlar ödüllerini hayattayken alsınlar.

Evet, kuantum ışınlamayla ışıktan hızlı iletişim olmaz dedik. Peki ya kuantum dolanıklık uzayzamanı büken mikro solucandelikleriyle gerçekleşiyorsa? O zaman ışıktan hızlı iletişim olur mu? Onu da hemen öğrenerek kuantum parçacıklar nedir ve sanal parçacıklar gerçek midir diye sorabilirsiniz. Kuantum çoklu dünyaların nerede olduğunu ve paralel evrenler arasında iletişim kurup kuramayacağımızı merak edebilirsiniz. Hızınızı alamayıp kuantum bombası ve kuantum zeno etkisine de şimdi bakabilirsiniz. Bilimle ve sağlıcakla kalın. 😊

SpaceX 4 Turisti Uzaya Gönderdi. Uzay Turizmi Nedir?

¹Experimental Test of Local Hidden-Variable Theories
²On the Einstein, Podolsky, Rosen Paradox
³Experimental Realization of Teleporting an Unknown Pure Quantum State via Dual Classical and Einstein-Podolski-Rosen Channels
⁴Experimental quantum teleportation