03 Kasım 2019

Kuantum Dolanıklık: Işık hızı aşılmış mı oluyor?

Kuantum bilgi sistemlerinin temelini oluşturuyor "kuantum dolanıklık"... Kuantum kriptoloji, kuantum hesaplama, ışınlama gibi gelecek yaşamımızda etkin teknolojilerin temeli bize oldukça yabancı bu garip kurallara dayanıyor

Artık biliyoruz, atom-altı parçacıklar hem dalga hem de parçacık özelliğine sahip ve bir dalga fonksiyonu ile tanımlılar.

Bu mucizevi fonksiyonun adı ise "Schrödinger dalga denklemi".

Bu denklem, parçacığın kuantum durumunu veriyor. Kuantum durumu dediğimiz şey ise parçacığın bulunabileceği durumlara ait tüm olasılıkların üst üste bindiği bir durum, ya da onların toplamı.

Şöyle de düşünebiliriz: Dünya'ya doğru bir göktaşı geliyor. Olası risk senaryolarını belirleyip onları tek bir raporda özetliyorsunuz. Göktaşı geldiği zaman bu senaryolardan sadece birisi gerçekleşmiş olacak.

Bu raporu kuantum dilinden yazacak olursak: Her olası risk, bir dalgaya karşılık; tüm risklerin toplamı olan özet rapor ise kuantum durumunu, yani tüm dalgaların üst üste bindiği durumu ifade eder. Bu olasılıklardan birinin oluşması da dalga çökmesi, yani diğer olasılıkların ortadan kalkması demek.

Peki, kuantum dolanıklık ne anlama geliyor?

Schrödinger'in kedisi düşünce deneyini hatırlayalım. Bir kutunun içine bir kedi, beta aktif  bir radyoaktif  madde ve içi zehirli gaz bulunan kapalı bir cam şişe konuluyor ve kapatılıyordu. Ayrıca kutuda beta ışımasına göre hareket edebilen ve şişeyi deviren hareketli bir kol vardı.

Eğer radyoaktif madde, bir beta parçacığı yayınlar ve sayıcı bu betayı algılarsa, sayıcıya bağlı kol hareket edecek, şişe devrilecek, zehirli gaz dışarı çıkacak, kedi bu zehirli gazı soluyacak ve ölecekti. Eğer radyoaktif madde bir beta parçacığı yayınlamazsa kedi canlı kalıyordu.

 

Şimdi varsayalım ki, iki ayrı kutuda, iki Schrödinger kedimiz var ve kutu içi düzenekler yine aynı. 

Yanıt arıyoruz: Kediler ölü mü, canlı mı?

Kuantum dünyasındasınız, ve yanıtı vermeden önce tüm olasılıkları düşünmek zorundasınız. Kolayca görüleceği gibi dört farklı olasılık sözkonusu: 1) İki kedi de canlı;  2) İki kedi de ölü; 3) Birinci kedi canlı, ikincisi ölü; 4) Birinci kedi ölü, ikincisi canlı.

İki kedili sistemin kuantum durumu, bu dört olasılığın toplamı, yani süperpoziyonudur diyeceksiniz, ancak yanılıyor olacaksınız.

Çünkü kuantum dünyasının bir başka kuralını atlamış oluyorsunuz: "Dışlama ilkesi".

Bu kural bize her iki kedinin aynı anda canlı veya aynı anda ölü durumlarını dışlamamız gerektiğini söylüyor. Yani aynı özelliklere sahip iki kedi bir arada olmamalı.

Bu durumda olasılıklar ikiye iniyor: 1. Birinci kedi canlı, ikincisi ölü, 2. Birinci kedi ölü, ikincisi canlı.

Kuantum durumu ise bunların toplamı, yani canlı ve ölü kedilere ait dalga fonksiyonlarının üst üste binmesi durumu. Bunun da anlamı şu: Kutulardan biri açıldığında, diğer kutu açılmadan içindeki kedinin canlı mı ya da ölü mü olduğunun biliniyor olunması.

Bunun teknik açılımı ise "kuantum dolanıklık" ya da "quantum entanglenment".

Biliyorum, kafa karıştırıcı gibi, lütfen biraz sabır!..

Şimdi kedilerimiz dolanık durumdalar ve biz kutulardan birini evrenin bir ucuna, diğerini diğer ucuna yerleştiriyoruz. Kutulardan birini açtığımız anda, evrenin diğer ucundaki kedinin akıbetini biliyor olacağız; anında ve ışık hızından daha hızlı bir bilgi akışı ile.

Kuantum dünyasının bu garip kuralları bizim için ne anlama geliyor diyebilirsiniz!

Hemen söyleyelim; kuantum dolanıklık, kuantum bilgi sistemlerinin temelini oluşturuyor.  Kuantum kriptoloji, kuantum hesaplama, ışınlama gibi gelecek yaşamımızda etkin teknolojilerin temeli bize oldukça yabancı bu garip kurallara dayanıyor.

Peki bu nasıl olacak?

Kedilerden her birini bir atomaltı parçacık olarak düşünün. Aynı tür atomaltı parçacıklar için, özellikle fermiyonlar (elektron, proton, nötron) için dışlama ilkesi çalışır.

Ve bu tür iki atomaltı parçacık bir süperpozisyon halinde ise  dolanık durumdadırlar ve bu durum, iki parçacığın spinleri ile tanımlıdır. Aynı spine sahip iki fermiyon türü parçacık bir arada bulunamaz. Birinin spini bir yöne dönerken diğeri zıt yöne döner. Bunlara eş parçacıklar da denir.

Hatırlayın, "dışlama ilkesi".

Spin nedir derseniz: Kuantum parçacığının açısal momentumu olarak tanımlı, parçacığın Dünya'nın kendi ekseni etrafında  dönmesine  karşılık gelen bir dönme özelliği.

Dolanık parçacıkları birbirinden uzaklaştırdığınızda dolanıklık durumu sürer. Parçacıklardan birinin bilinmesi, aralarındaki mesafe ne kadar büyük olursa olsun, bize anında diğeri hakkında bilgi verecektir.

Özetle, dolanık parçacıklar yoluyla ışık hızından daha hızlı bir iletişim ve bilgi aktarımı mümkün görünüyor.

Geleceğin dünyasını bu garip kurallar şekillendirecek, ama onları anlamak için yine de Schrödinger'in kedisine ihtiyacımız var!..

TIKLAYIN - Bir düşünce deneyi: Schrödinger'in kedisi

Yazarın Diğer Yazıları

Erken evrende karanlık yıldızlar gizemi

1930'lardan bu yana bilim dünyasını heyecanlandıran karanlık madde bizi şaşırtmaya devam edecek gibi görünüyor

Uzayın derinliklerinde kadının ayak sesleri

Bugün kadınlar uzayda iş başındalar. İnsanın bilinmeyene yolculuğunda, onların ayak seslerinin uzayda yankılandığına tanık olmaktayız

Bir bilgisayar dehası, bir teknoloji devi ve bir elmanın kesişen hüzünlü hikayesi

Manchester'da, elinde elma olan bir heykel vardır; bilgisayarın ve yapay zekanın babası, savaş kahramanı Alan Turing'in heykeli