Kuantum Sayfa-1

Aynı Atom Aynı Anda Birbirinden 54 cm Uzakta Tespit Edildi.

Yazar: Oğuz Sezgin

Standford Üniversitesi’nden bilim insanları birbirinden 54 cm uzakta, aynı anda iki yerde bulunabilen(süperpozisyon) atomlar olduğunu göstermeyi başardı. Bunu şöyle düşünebilirsiniz parmağınızın ucunda ufacık bir top bulunduğunu, aynı topun aynı anda omzunuzda olduğunu farz edin. Düşünürken bile güçlük çekiyorsunuz değil mi? Çoğumuz bir parçacığın aynı anda nasıl farklı yerlerde olabileceğini kavrayamabilir. Bir parçacığın aynı anda iki farklı kuantum halde bulunabilmesine süperpozisyon diyoruz. Bu hal gözlenene kadar devam ediyor , ta ki gözlendiğinde birinin dalga fonksiyonu diğerine çöktüğünde bitene kadar. Schrödinger’in kedisi de aynı prensipten yola çıkarak kutunun kapağı açılana kadar kedinin hem ölü ,hem diri olduğunu ifade eder. Genelde kuantum mekaniğinin atomaltı parçacıklara uygulanması nedeniyle , teorik açıdan menzilin bir sınırı olmadığını düşünürüz. İşte bu nedenle kuantum ve günlük dünyamızdaki geçişi deneyimleriz. “Hepimiz tüm süperpozisyonları maddenin klasik haline döndürebilecek bir şeyler olabileceğini hayal ediyoruz, “ diyor Stanford Üniversitesi’nden Mark Kasevich . Kasevich ve arkadaşları bunu araştırmak için aynı kuantum hale sahip 10,000 rubidyum atomluk Bose-Einstein yoğunlaşması(BEC) yarattılar. Sonra bu bulutu sadece birkaç mm genişliğinde ve 10 metre yüksekliğinde odalı lazerle ateşleyerek, atomların iki farklı kuantum hale aşama aşama getirdiler. Zamanla odanın en üstüne ulaşan Bose-Einstein yoğunlaşmasının dalga fonksiyonu %50 -%50 bu hallerin karışımı olduğunda birbirinden 54 cm uzaktaydılar. İşte bu şekilde bir saniyeliğine süperpozisyona geliyorlar sonra geri düşüyorlar. Aşağıda lazerler iki hali tekrar bire düşürüyor. Bu da iki farklı yüksekliğe ulaşan atomların odanın üstünde Bose-Einstein yoğunlaşmasından kaynaklanan süperpozisyonunu açıklıyor. Önceki deneylerde saniyenin çeyrekte birinde, 1 cm uzaklıkta süperpozisyon tespit edilmişti. Kasevich’in çalışması insan boyutlarını zorluyor. “Çalışmamız gerçekten büyük ayrımlarla tanımlanıyor. Kimse bunu başaramadı. Odanın sıcaklığının mutlak sıfırın küçük bir kesrinde tutarak, BEC’nin yörüngesini deney esnasında Dünya’nın dönüşünü hesaba katarak hassas bir şekilde ayarladılar. Onlar bilinmeyeni keşfettiler,” diyor Almanya Duisburg-Essen Üniversitesi’nden Klaus Hornberger.

Gerçek Bilim linkini göstermeden paylaşmak yasaktır

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Bir Atom Yarım Metre Ayrık İki Konumda Aynı Anda Bulundu

Küçük bir topun parmağınızın ucunda dururken, aynı anda omzunuzda da durduğunu hayal etmeye çalışın. Zor mu geliyor? Çoğumuz bir nesnenin aynı anda iki ayrı yerde olmasını kavrayamayız. Ama fizikçiler önceki rekorları da kırarak, bu etkinin yarım metreden fazla bir uzaklıkta ortaya çıkışını gösterdiler.

Bir nesnenin aynı anda iki kuantum durumunda birden bulunmasına süperpozisyon adı verilir ve bu olay bir süperpozisyon örneğidir. Nesne gözlemlenene dek sürer ve gözlem yapıldığı anda çöken dalga fonksiyonu nedeniyle, nesne durumlardan sadece birinde saptanır. Schrödinger’in kedisinin bir kutunun içinde kapak açılana değin hem diri hem ölü olmasının temelinde de bu ilke bulunur.

Çoğu zaman kuantum mekaniğinin sadece atomaltı parçacıklar için geçerli olduğunu düşünürüz. Ancak kuramda böyle bir sınırlama yoktur. Kuantum dünyası ile gündelik deneyimler dünyası arasındaki çizgiyi keşfetmeye çalışan deneylerin yapılmasının nedeni de budur. “Hepimiz, süperpozisyonların klasik madde durumlarına dönüştüğü bir rejim olup olmadığını merak ediyoruz,” diyor Stanford Üniversitesi’nden Mark Kasevich.

Bunu anlamak için Kasevich ve meslektaşları hepsi aynı kuantum durumunda bulunan 10.000 rubidyum atomlu bir Bose-Einstein Yoğuşuk Maddesi (BEC) üretmiş. Bu topluluğu birkaç milimetre ötede bulunan 10 m yüksekliğindeki bir bölmeye lazer kullanarak itmişler. Bu da atomları yavaş yavaş iki ayrı duruma itmek anlamına geliyor.

Bose-Einstein Yoğuşuk Maddesi bölmenin tepesine ulaştığında, dalga fonksiyonunun söz konusu durumların 50-50 (yarı yarıya olduğu) bir karışım olup, 54 cm ayrık konumları temsil ettiği saptanmış. Bir saniye kadar bu süperpozisyonda kaldıktan sonra geri düşmüş. Aşağıda lazerler iki durumu tekrar teke çevirmiş ve böylece atomların iki farklı yükseklikten geldikleri ortaya çıkmış. Bu da Bose-Einstein Yoğuşuk Maddesinin bölmenin tepesinde süperpozisyonda olduğunu kanıtlıyor.

Daha önceki deneylerde süperpozisyon, çok daha kısa uzaklık ve zaman aralıklarında gösterilmişti. Kırılan son rekor yaklaşık 1 cm ve çeyrek saniyelikti. Kasevich’in çalışması olayı insan ölçeklerine çekmiş oldu. “Çalışmamız gerçekten büyük aralıklar tanımlıyor. Daha önce bunu yapan kimse olmamıştı,” diye ekliyor.

Bu rekorda, bölmenin sıcaklığının mutlak sıfırın çok az üzerine kadar soğutulmuş olmasının ve BEC’nin izlediği yolun deney süresince Dünya’nın dönüşünün hesaba katılarak ayarlanmasının da payı var. Almanya’da bulunan Duisburg-Essen Üniversitesi’nden Klaus Hornberger şöyle yorumluyor: “Bilinmeyeni keşfe çıktılar.”

Ama yine de göründüğünden daha az önemli bir gelişme de olabilir. 2013 senesinde Hornberger bir “tuhaflık ölçeği” geliştirilmesine yardımcı olmuştu. Bu ölçek, kuantum etkilerinin gündelik deneyimler dünyasına ne kadar sirayet ettiğini gösterdiğine bakarak deneylere puan veriyordu. Kasevich’in çalışması uzaklık ölçeğini ileri götürürken, başka açılardan taviz veriyor. O nedenle tuhaflık ölçeği skorunun önceki çalışmalarla hemen hemen aynı olduğunu belirtiyor Hornberger.

Kaynak: New Scientist, “New quantum record as ball of atoms ends up in two spots at once”

Referans Makale: Nature, “Quantum superposition at the half-metre scale”

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Gerçekliğin Ölçülmeden Önce Varolmadığı Deneysel Olarak Kanıtlandı

Avustralyalı fizikçiler ünlü bir deneyi yeniden canlandırıp, kuantum fiziğinin tuhaf öngörülerini ve gerçekliğin doğasını onayladı. En küçük ölçekte, birisi ölçene dek ortada gerçeklik denebilecek bir şey yok. Bu ne kadar kafa karıştırıcı gibi görünse de, deney aslında son derece basit bir soru yöneltiyor: Eğer elinizde ya parçacık gibi ya da dalga gibi davranabilecek bir nesne varsa, bu nesne hangi noktada nasıl davranacağına karar verir?

Genel mantığımıza göre bir nesne içsel olarak özünde ya dalga gibi olmalı ya da parçacık gibi olmalı; bizim yaptığımız ölçümlerin de bunun üzerinde bir etkisi olmamalı diye düşünebiliriz. Ancak kuantum kuramının öngörüsüne göre çıkacak sonuç bütünüyle ölçümün nasıl yapıldığı ile belirleniyor. İşte Avustralya Ulusal Üniversitesi ekibinin deneyinden de bu sonuç çıktı. Ekip lideri fizikçi Andrew Truscott çalışmalarını şöyle açıklıyor: “Bu herşeyin ölçüme bağlı olduğunu kanıtlıyor. Kuantum düzeyinde, eğer kimse bakmıyorsa gerçeklik diye bir şey yok.”

Gecikmiş Seçim Deneyi

Aslında deneyin kökeni John Wheeler’ın gecikmiş seçim (İng. delayed-choice) deneyi adıyla bilinen eski bir düşünce deneyi olup, ilk kez 1978 yılında aynadan yansıyan ışık demetleri kullanılarak gerçekleştirilmiş. Fakat o zamanlar, gereken teknolojiyi tam olarak sağlamak pek mümkün olmamış. Neredeyse 40 yıl sonra şimdi, Avustralya ekibi bu deneyi lazer ışınları tarafından saçılan helyum atomları kullanarak yeniden yaptı. Deney ekibinde yer alan doktora öğrencisi Roman Khakimov “Kuantum fiziğinin girişim hakkındaki öngörüleri ışığa uygulandığında zaten yeterince garip görünüyordu. Ama bir de deneyi kütleleri olan ve elektrik alanlarla etkileşen karmaşık nesnelerle, yani atomlarla yapınca bu gariplikler daha da arttı,” diyor.

Deney düzeneğinin hazırlanmasında ekip bir öbek helyum atomunu Bose-Einstein yoğuşuk maddesi olarak bilinen duruma getirerek tuzaklamış. Ardından atomları geride sadece tek bir tane kalana dek salmış. Seçilen bu sonuncu atom bir çift lazer ışınına gönderilmiş. Izgara deseni oluşturarak atomun yolunu değiştirme görevi yapan lazerler, eski deneyde fotonların saçılmasını sağlayan katı nesnenin yerini almış. Atom bu ızgarayı geçtikten sonra ikinci bir rastgele ızgara eklemişler. İkinci ızgaranın eklenmesi ile atom her iki yoldan da geçmiş gibi davranıp, ya yapıcı ya da yıkıcı girişime neden olmuş. İkinci ızgara eklenmediğinde ise atom tek bir yoldan geçmiş gibi davranmış ve dolayısıyla herhangi bir girişim gözlenmemiş.

Geriye Yönelik Nedensellik

İkinci ızgara, atom birinci ızgaradan yani ilk yol ayrımından geçtikten sonra eklendiğine göre, atom nasıl bir doğa (parçacık doğası mı yoksa dalga doğası mı) sergileyeceğine ikinci ölçümden önce karar vermiş olamazdı. Öyleyse eğer atomun ilk yol ayrımında belli bir yolu veya yolları izlediğine inanıyorsanız, gelecekte yapılacak olan ölçümün, atomun izlediği yolu etkilemiş olduğunu söylüyorsunuz demektir. Truscott şöyle açıklıyor: “Atomların bir A noktasından bir B noktasına gittiği söylenemez. Ancak ve ancak yolun sonunda ölçüm yapıldığında, atomun dalga benzeri veya parçacık benzeri doğası varoluş sergiler.”

Bu durum fizikte geri-nedensellik (İng. retrocausality) olarak bilinir. Klasik neden-sonuç ilişkisinden farklı olarak, sonucun da kendini oluşturan nedenler üzerinde etki yapabileceği düşüncesidir. Bu deneyin sonucundan anlaşıldığı kadarıyla, kendi bedenlerimiz de dahil tüm evreni oluşturan kuantum parçacıklar düzeyinde, geleceğin geçmişi etkilemesi mümkündür.

Kaynak: Sciencealert.com “Reality doesn’t exist until we measure it, quantum experiment confirms”

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Gerçekliğin Ölçülmeden Önce Varolmadığı Deneysel Olarak Kanıtlandı

Tem 4, 2015 Sevkan Uzel

Avustralyalı fizikçiler ünlü bir deneyi yeniden canlandırıp, kuantum fiziğinin tuhaf öngörülerini ve gerçekliğin doğasını onayladı. En küçük ölçekte, birisi ölçene dek ortada gerçeklik denebilecek bir şey yok. Bu ne kadar kafa karıştırıcı gibi görünse de, deney aslında son derece basit bir soru yöneltiyor: Eğer elinizde ya parçacık gibi ya da dalga gibi davranabilecek bir nesne varsa, bu nesne hangi noktada nasıl davranacağına karar verir?

Genel mantığımıza göre bir nesne içsel olarak özünde ya dalga gibi olmalı ya da parçacık gibi olmalı; bizim yaptığımız ölçümlerin de bunun üzerinde bir etkisi olmamalı diye düşünebiliriz. Ancak kuantum kuramının öngörüsüne göre çıkacak sonuç bütünüyle ölçümün nasıl yapıldığı ile belirleniyor. İşte Avustralya Ulusal Üniversitesi ekibinin deneyinden de bu sonuç çıktı. Ekip lideri fizikçi Andrew Truscott çalışmalarını şöyle açıklıyor: “Bu herşeyin ölçüme bağlı olduğunu kanıtlıyor. Kuantum düzeyinde, eğer kimse bakmıyorsa gerçeklik diye bir şey yok.”

Gecikmiş Seçim Deneyi

Aslında deneyin kökeni John Wheeler’ın gecikmiş seçim (İng. delayed-choice) deneyi adıyla bilinen eski bir düşünce deneyi olup, ilk kez 1978 yılında aynadan yansıyan ışık demetleri kullanılarak gerçekleştirilmiş. Fakat o zamanlar, gereken teknolojiyi tam olarak sağlamak pek mümkün olmamış. Neredeyse 40 yıl sonra şimdi, Avustralya ekibi bu deneyi lazer ışınları tarafından saçılan helyum atomları kullanarak yeniden yaptı. Deney ekibinde yer alan doktora öğrencisi Roman Khakimov “Kuantum fiziğinin girişim hakkındaki öngörüleri ışığa uygulandığında zaten yeterince garip görünüyordu. Ama bir de deneyi kütleleri olan ve elektrik alanlarla etkileşen karmaşık nesnelerle, yani atomlarla yapınca bu gariplikler daha da arttı,” diyor.

Deney düzeneğinin hazırlanmasında ekip bir öbek helyum atomunu Bose-Einstein yoğuşuk maddesi olarak bilinen duruma getirerek tuzaklamış. Ardından atomları geride sadece tek bir tane kalana dek salmış. Seçilen bu sonuncu atom bir çift lazer ışınına gönderilmiş. Izgara deseni oluşturarak atomun yolunu değiştirme görevi yapan lazerler, eski deneyde fotonların saçılmasını sağlayan katı nesnenin yerini almış. Atom bu ızgarayı geçtikten sonra ikinci bir rastgele ızgara eklemişler. İkinci ızgaranın eklenmesi ile atom her iki yoldan da geçmiş gibi davranıp, ya yapıcı ya da yıkıcı girişime neden olmuş. İkinci ızgara eklenmediğinde ise atom tek bir yoldan geçmiş gibi davranmış ve dolayısıyla herhangi bir girişim gözlenmemiş.

Geriye Yönelik Nedensellik

İkinci ızgara, atom birinci ızgaradan yani ilk yol ayrımından geçtikten sonra eklendiğine göre, atom nasıl bir doğa (parçacık doğası mı yoksa dalga doğası mı) sergileyeceğine ikinci ölçümden önce karar vermiş olamazdı. Öyleyse eğer atomun ilk yol ayrımında belli bir yolu veya yolları izlediğine inanıyorsanız, gelecekte yapılacak olan ölçümün, atomun izlediği yolu etkilemiş olduğunu söylüyorsunuz demektir. Truscott şöyle açıklıyor: “Atomların bir A noktasından bir B noktasına gittiği söylenemez. Ancak ve ancak yolun sonunda ölçüm yapıldığında, atomun dalga benzeri veya parçacık benzeri doğası varoluş sergiler.”

Bu durum fizikte geri-nedensellik (İng. retrocausality) olarak bilinir. Klasik neden-sonuç ilişkisinden farklı olarak, sonucun da kendini oluşturan nedenler üzerinde etki yapabileceği düşüncesidir. Bu deneyin sonucundan anlaşıldığı kadarıyla, kendi bedenlerimiz de dahil tüm evreni oluşturan kuantum parçacıklar düzeyinde, geleceğin geçmişi etkilemesi mümkündür.

Kaynak: Sciencealert.com “Reality doesn’t exist until we measure it, quantum experiment confirms”

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Yerel Gerçeklik Çürütüldü

Hollanda Delft Teknik Üniversitesi’nde görev yapan Ronald Hanson’ın ekibi tarafından geçtiğimiz günlerde gerçekleştirilen bir deney, Albert Einstein’ın “yerel gerçeklik” (İng. local realism) ilkesini çürüten en güçlü kanıtı sundu. Yerel gerçeklik ilkesine göre evren yasalara uyar, şansa yer yoktur ve ayrıca ışıktan daha hızlı bir iletişim olamaz. Nature dergisinin son sayısında ayrıntıları paylaşılan tarihsel önemdeki bu deneyde, Fotonik Bilimler Enstitüsü (ICFO) profesörlerinden Morgan W. Mitchell ve Valerio Pruneri liderliğindeki araştırma ekiplerinin geliştirdiği rastgele sayı üreteçleri, kritik bir rol oynuyor.

Delft deneyinde ilk önce iki ayrı elmas kristalinde tuzaklanmış iki elektron dolaşıklaştırıldı. Sonra da elektronların yönelimi ölçüldü. Kuantum kuramında dolaşıklık güçlü ve gizemli bir olgudur. Matematiksel olarak iki elektron tek bir dalga fonksiyonu ile betimlenir. Bu dalga fonksiyonu sadece onların uyumlu olup olmadığını belirtir; hangisinin spininin ne yönde olduğunu söylemez. Matematiksel açıdan elektronlar kimliklerini yitirmiştir. Yerel gerçeklik bu görüngüyü daha az gizemli bir şekilde açıklamaya kalkışır ve parçacıkların belli bir yönelimlerinin mevcut olduğunu, sadece ölçüm yapana kadar bizim bunu bilemediğimizi öne sürer.

Ölçüm yapıldığında Delft elektronları kesinlikle bireysel olarak rastgele görünmekle birlikte, uyumlu çıkıyorlar. Elbette gerçekliğin iddia ettiği gibi önceden varolan yönelimlere sahip durumda olamazlar. Bu davranış ancak ve ancak elektronlar birbirleriyle iletişim halinde ise mümkün olabilir. Bu da farklı kristallere hapsolmuş elektronlar için oldukça şaşırtıcı. En ilginci de şu: Delft deneyinde kullanılan elmaslar, aralarında 1.3 km uzaklık olan iki ayrı binada bulunuyordu. Dahası, ölçümler öylesine hızlı yapıldı ki, elektronların ışık hızındaki sinyallerle bile haberleşecek vakti yoktu.

Bu sonuç yerel gerçekliği darboğaza sokuyor: Eğer elektron yönelimleri gerçekse, elektronlar haberleşmiş olmak zorunda. Ama eğer haberleşmişlerse, bunu ışık hızını aşan bir hızda yapmış olmalılar. Bundan başka çıkış yok ve yerel gerçeklik çürütülmüş oluyor. Ya Tanrı zar atıyor ya da elektronların spinleri birbirlerinden ışıktan hızlı biçimde haberdar oluyor.

Bu heyecan verici deney için, elektronların yönelimlerini ölçmede aşırı hızlı, öngörülemez kararlar gerekiyordu. Eğer ölçümler öngörülebilir olsaydı, elektronlar hangi yöne yönelecekleri konusunda, hiç olmayan iletişimi simüle ederek önceden anlaşma yapabilirlerdi ki bu bir deneysel eksik (İng. loophole) olarak kalmıştı. Bu açığı gidermek için, Delft ekibi en hızlı kuantum rastgele sayı üreteci rekoru sahibi ICFO’ya başvurmuş. Deney için ICFO tarafından bir çift kuantum zar hazırlanmış: Çok hızlı “rastgelelik açılımı” elektroniği de içeren ve patenti kendilerine ait olan rastgele sayı üretim teknolojisinin özel bir versiyonu. Bu aygıt, Delft deneyinde yapılan her bir ölçüm için bir tane aşırı saf rastgele bit üretmiş. Bitler yaklaşık 100 ns içinde üretilmiş ki, bu da ışığın 30 metre yol alması için gereken süreye eşit. Yani elektronların haberleşebilmesi için gereken sürenin yakınından bile geçmiyor.

Ekip üyelerinden ICFO doktora öğrencisi Carlos Abellán şöyle anlatıyor: “Delft bizden varolan en üstün rastgele sayı üretecinin de ötesine geçmemizi istedi. Daha önce bu kadar kısa zamanda bu kadar iyi rastgele sayı üreten bir deney hiç olmamıştı.” ICFO ekibi için Delft deneyinin bir parçası olmak, temel fiziğe katkıda bulunma şansının da ötesinde bir başarı. Prof. Morgan Mitchell şu yorumu yapıyor: “Bu deneyde çalışmak bizi iletişim güvenliği, yüksek performanslı hesaplama ve hem yüksek hızlı hem de yüksek kaliteli rastgele sayı gerektiren diğer alanlara uygulayabileceğimiz teknolojiler geliştirmeye itti.” ICFO’nun kuantum rastgele sayı üreteçleri sayesinde Delft deneyi Einstein’ın evren görüşünü neredeyse kusursuz bir biçimde çürütmüş oldu. Anlaşılan o ki, “hiçbir şey ışıktan daha hızlı gidemez” ve “Tanrı zar atmaz” ifadelerinden en az biri yanlış.

Kaynak: Phys.org, “Historic Delft Experiments tests Einstein’s ‘God does not play dice’ using quantum ‘dice'”
Referans: B. Hensen et al. Loophole-free Bell inequality violation using electron spins separated by 1.3 kilometres, Nature (2015). DOI: 10.1038/nature15759

------------------------------------------------------------------------------------------------------

Hayaletimsi Etki Deneysel Olarak Kanıtlandı

Geçtiğimiz günlerde Japonya’daki Tokyo Üniversitesi ve Avustralya’daki Griffith Üniversitesi’nin ortaklığında, Prof. Howard Wiseman liderliğinde gerçekleştirilen deneyde, Einstein’ın ‘uzaktan hayaletimsi etki‘ olarak adlandırdığı olgu ilk kez gözlemlendi.

Einstein’ın gerçek olamayacağını düşünerek ‘hayaletimsi’ sıfatını yakıştırdığı “dalga fonksiyonunun yerel olmayan çöküşü”, söz konusu çalışma ile deneysel olarak kanıtlanmış oldu. Bu hem kuantum mekaniğinin anlaşılması adına önemli bir adım, hem de bir fizik dehasının bile yanılgıya düşebileceğine bir örnek.

Tek parçacık dolaşıklığı

Tek bir parçacıkta görülen uzaktan hayaletimsi etki yani kuantum dolaşıklık, dolaşıklığın çok garip bir biçimi olup, kuantum hesaplama ve haberleşmede ilerleme sağlama konusunda büyük önem taşıyor. Birbirlerinin partneri olarak tanımlanan iki parçacık arasındaki alışılmış kuantum dolaşıklıktan farklı olarak, dolaşık tekil parçacıklar çok büyük uzaklıklara yayılan dalga fonksiyonuna sahip olmalarına rağmen, asla birden fazla yerde bulunmuyorlar.

“Bir başka deyişle, tekil bir dolaşık parçacık belli bir anda sadece tek bir yerde olabilir, ama çok büyük bir alan içinde konumlandırılır. Parçacık ölçümü yapıldığında dalga fonksiyonu aniden çökerek tek bir konum verir,” diye açıklıyor Lucy Ingham. Bunun gerçekleştiğini ise şimdiye dek kimse görmeyi başaramamıştı. Bu deneyde, dalga benzeri özellikleri ölçebilen homodin algılayıcılar kullanılarak, bir parçacığın dalga fonksiyonunun yerel olmayan çöküşü bütünüyle izlenebildi.

Yayımladıkları makalede, tek bir fotonu Avustralya ve Japonya’da bulunan iki laboratuvar arasında nasıl bölmeyi başardıklarını anlatan araştırma ekibi, ardından laboratuvarlardan birinde gerçekleştirdikleri ölçüm seçiminin, diğer laboratuvardaki yerel kuantum durumunda gerçekten de değişime neden olduğunu gösteriyor. Böylece Einstein’ın 1927 yılında “kuantum mekaniğinin işe yaramadığının kanıtı” olarak nitelediği ‘tek parçacık dolaşıklığı‘ öngörüsünün doğruluğunu kanıtlıyorlar.

Işıktan hızlı sinyale gerek yok

“Einstein geleneksel kuantum mekaniğini hiç kabul etmedi ve dayanak noktası da bu tek parçacık konusuydu. Bu nedenle, tek parçacık kullanarak dalga fonksiyonunun yerel olmayan çöküşünü göstermek çok önemli,” diyor Prof. Wiseman. Einstein, bir parçacığın aynı anda birden fazla yerde olup da, biri onun durumunu ölçmeye kalkıştığı anda tek bir belli yere konumlanacağı (dalga fonksiyonunun çökeceği) düşüncesine karşı çıkıyordu. Çünkü eğer öyleyse, görünüşe göre ışıktan hızlı giden bir sinyalin varlığından söz etmek gerekecekti ki, bu da görelilik kuramına aykırıydı. Ona göre, bir parçacığın tek bir yerde algılanmasını, parçacığın zaten belli bir anda sadece tek bir yerde olabileceği hipotezi ile açıklamak gerekti. Bu ne kadar basit ve akla yatkın görünse de, yeni araştırma durumun bundan çok daha karmaşık olduğunu kanıtlıyor.

Einstein’ın bu olaya ilişkin düşünce deneyi şöyleydi: Alice ve Bobadlı iki fizikçiye gönderilen iki dolaşık parçacık olsun. Eğer Alice kendisindeki parçacığın durumunu ölçerse, Bob’un ölçüm yapmasına gerek bile kalmadan diğer parçacığın durumu da bilinecekti. Bu da herhalde Alice’teki parçacığın Bob’takine ışıktan hızlı (eşzamanlı olacak biçimde) bir sinyal göndermesi ile olacaktı. İşte Einstein’ın kabul edemediği nokta, bu ‘ışıktan hızlı sinyal‘ fikridir. Fakat aslında gönderilen herhangi bir sinyal yoktur. Alice’in ölçümü, evreni öyle bir biçimde değiştirmektedir ki, Bob’daki parçacık önceden sahip olmadığı ölçülebilir bir kuantum durumuna sahip olmaktadır. Dolayısıyla ışıktan hızlı sinyal gerekliliği olmayıp, göreliliğe aykırı bir durum yoktur.

Yapılan deneyin kuantum bilgi işleme açısından önem taşıyan bulgular elde ettiğini belirten Prof. Akira Furusawa şöyle açıklıyor: “Genelde iki tür kuantum bilgi işleme yapılır. Kubit türündeki sayısal bilgi işleme ile sürekli değişkenlerin kullanıldığı analog kuantum bilgi işleme. Biz bu ikisini birlikte kullanmak istiyoruz.” Kuantum haberleşme güvenliği alanındaki uygulamaları da ilgilendirdiğini belirttiği deneye ilişkin Wiseman şunları ekliyor: “Parçacığın varlığını ya da yokluğunu algılamaya çalışmak yerine, biz homodin ölçümler kullandık. Bu da bir taraf farklı ölçümler yaparken, diğer tarafın kuantum tomografi kullanarak bu seçimlerin etkilerini sınamasını sağladı. Farklı ölçümler yoluyla dalga fonksiyonu farklı biçimlerde çökerek, Einstein’ın bu konuda yanıldığını gösterdi.”

Makale Referans: Maria Fuwa, Shuntaro Takeda, Marcin Zwierz, Howard M. Wiseman, Akira Furusawa. Experimental proof of nonlocal wavefunction collapse for a single particle using homodyne measurements. Nature Communications, 2015; 6: 6665 DOI: 10.1038/ncomms7665

1- Griffith University. “Quantum experiment verifies Einstein’s ‘spooky action at a distance‘.” ScienceDaily. ScienceDaily, 24 March 2015.
2- Live Science, Proving Einstein Wrong with ‘Spooky’ Quantum Experiment. 26 March 2015.

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Yerel gerçekliğe aykırılık

Erwin Schrödinger kuantum dolaşıklığı “kuantum mekaniğini klasik kuramlardan ayıran başlıca özellik” olarak tanımlamıştır. Geçtiğimiz günlerde yayımlanan bir makalede, fizikçiler yeni bir dolaşık durumlar ailesini ele alarak, bunların “yerel gerçeklik” ilkesini ihlal ettiklerini gösteriyor. Yerel gerçeklik, klasik kuramlarda geçerli olup, kuantum kuramında tehlikeye düşer.

İki nesne dolaşık durumda olduğunda, birine yapılan ölçüm diğerini de eşzamanlı olarak etkiler; yani ışığın ikisi arasında yol almasından bile daha çabuk. Sağduyu ise bize bir nesnenin ancak yakın çevresinden etkilenebileceğini, başka bir deyişle nesneye etki edebilmek için ona belli bir yakınlık derecesinde olunması gerektiğini söyler. Buna bilim dilinde “yerellik (locality)” adı verilir. Dolaşıklık, yerelliği ihlal ederek, evrenin öte ucundan bile anında etkisini gösterir.

Yıllardan beri fizikçiler dolaşık durumların yerel gerçekliğe aykırı davranıp davranmadığını net olarak ortaya koymayı denemişlerdir. Burada gerçeklik (realism) terimiyle anlatılmak istenen, nesnelerin gözlemlenmedikleri zaman da var olduklarıdır.

Dolaşıklık yerelliği mi yoksa gerçekliği mi ihlal eder?

Her ne kadar uzun zamandan beri bazı dolaşık durumların yerel gerçekliğe aykırı olduğundan kuşkulanılsa da, Cenevre Üniversitesi’nden Nicolas Gisin tüm saf dolaşık durumların yerel gerçekliği ihlal etmek zorunda olduğunu niceliksel olarak 1991 yılında gösterebildi. Bugün bu sonucu Gisin Kuramı olarak adlandırıyoruz.

Kuantum mekaniğinde bir “saf” dolaşık durum net olarak tanımlı durumdur. Bununla birlikte, dolaşık durumların büyük çoğunluğu bir dereceye kadar “karışık” durumdadır. Yani çok sayıda saf durumun bir kombinasyonudur. Gisin Kuramı sadece saf durumlar için geçerli olsa da, fizikçiler başka tip durumların da yerel gerçekliği ihlal edebildiğini göstererek, ilerleyen yıllarda kuramı genişletmişlerdir.

Nature Scientific Reports‘da yayımlanan yeni bir makalede, Çin Nankai Üniversitesi ve Singapur Ulusal Üniversitesi’nde çalışan Jing-Ling Chen liderliğindeki Çin ve Singapur enstitülerinden bir grup araştırmacı, belli bir yönlendirme özelliği olan tüm karışık durumların yerel gerçekliğe aykırı olmak zorunda olduğunu gösteriyor. Yerel gerçekliği ihlal eden bu yeni karışık dolaşık durumlar ailesi, kuantum korelasyonlara ilişkin daha iyi bir anlayış geliştirilmesini sağlayabilir. Yanısıra, bazı kuantum enformasyon süreçlerinin basitleştirilmesine de olanak tanıyabilir.

Ekip lideri Chen, Gisin Kuramı’nın bu genişletilmiş versiyonunda, Gisin’in ele aldığı saf durumların bir özel durum olarak kuram içinde yer aldığını belirtiyor. “Werner’in 1989’da yayımladığı ‘E-P-R korelasyonlu kuantum durumları bir gizli değişken modeline işaret ediyor’ adlı makaleden beri, dolaşıklık ile yerel gerçekliğin ihlali iki ayrı kavram olarak biliniyordu. Bazı dolaşık kuantum durumları bir gizli değişken modeli ile uyumlu olup, yerel gerçekliği ihlal etmeyebiliyordu. Buradan önemli bir soru doğdu. Dolaşıklık ile yerel gerçekliğin ihlalini eşdeğer kılacak biçimde kuantum durumlarını sınırlayan bir koşul belirleyebilir miyiz? Olası koşullardan biri saflıktır. Tüm saf dolaşık kuantum durumları Bell Eşitsizlikleri‘ne aykırı davranır. Bu da Gisin Kuramı olarak bilinir,” şeklinde açıklıyor Chen.

“Ancak karışık durumların daha genel bir hâli için, araştırmacılar böyle bir koşul olmamasından endişe ediyordu. Daha genel bir koşul olması, sadece kuantum korelasyonlara ilişkin kuramsal bakış açısından daha derin bir anlayışa sahip olmak için önem taşımakla kalmıyor. Bir diğer önemi de deneysel açıdan, yani kuantum enformasyon uygulamaları için gerekli. Kuantum sistemlerin çevreleriyle etkileşmesi kaçınılmaz olduğundan, kuantum durumlar pratikte her zaman bir dereceye kadar karışıktır. Bu çalışmada biz bu problemi ele aldık ve E-P-R yönlendirmesi kavramını, dolaşıklık ile yerel gerçekliğin ihlali arasında köprü kuran bir koşul olarak kullandık,” diye ekliyor Chen.

Üç tür korelasyon

Chen’in sözünü ettiği gibi, dolaşıklık, yönlendirme ve yerel gerçekliğe aykırılığı kuatum korelasyonun üç farklı biçimi olarak düşünebiliriz. Bunlar hiyerarşik bir yapı oluşturur ve yerel gerçekliğe aykırılık en güçlü olan biçimdir. Yönlendirme ortanca biçim olup, dolaşıklık korelasyonlarını bir adım ileri taşıyarak sistemin, dolaşık partneri kontrol etmesine (yönlendirmesine) olanak tanır.

Fizikçiler bu çalışmada şunu gösteriyor: Eğer iki gözlemci, kendi kubitleri üzerinde ölçüm yapmak (ve dolayısıyla ötekinin durumunun eşzamanlı çökmesine neden olmak) suretiyle, partnerinin kubitlerini saf durumlara yönlendirebiliyorsa, kubitler başlangıçta karışık durumda olsalar bile yerel gerçekliğe aykırı davranırlar.

Bu çalışma, üç korelasyon türü olan ilişkili fakat farklı kavram arasında sağlam bir kriter sunması açısından büyük önem taşıyor. “Dolaşıklık, yönlendirme ve yerel gerçekliğe aykırılık kavramlarının bu hiyerarşik yapısında, ikinci ve üçüncü biçim ilkinin bir alt kümesi durumunda oluyor,” diyor Chen.

Kaynak: Jing-Ling Chen, et al. “Beyond Gisin’s Theorem and its Applications: Violation of Local Realism by Two-Party Einstein-Podolsky-Rosen Steering.” Sci. Rep. 5, 11624; DOI: 10.1038/srep11624. To be published. Also at arXiv:1404.2675

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Schrödinger’in Kedisinin Dalga Fonksiyonu Tanımlandı

Schrödinger’in Kedisi; uzun zamandır kuantum mekaniğinde bulunan bir açmazın altını çizdi. Şöyle ki; kedi gerçekten canlı mı veya ölü mü? Ya da tüm bu tuhaflık yalnızca aklımızda şekillenen bir durum mu?
Queensland Üniversitesi’nden araştırmacılar bu soruyu cevaplayabilmek için önemli bir gelişim kaydettiler.

Araştırmacılar fotonların 4 boyutlu hallerini kullanarak ve bu fotonları oldukça kesin ölçümlere tabi tutarak; kedinin ölü ve canlı olarak tanımlanmasının, kedinin gerçek haline ilişkin bilgi yetersizliğinden kaynaklandığını ortaya koyan oldukça önemli bir görüşü ileri sürdüler.

Kuantum fiziğindeki tüm nesnelerde olduğu gibi, kedi de kuantum dalga fonksiyonu tarafından tanımlanır.
Queensland Üniversitesi Matematik ve Fizik Fakültesi’nden Dr. Alessandro Fedrizzi; kuantum dalga fonksiyonunu, kuantum mekaniğindeki fiziksel sistemleri tanımlayabilmek için kullanılan merkezi araç olarak tanımlarken, öte yandan da bu aracın tam olarak ne olduğunun ise hala belirsiz olduğunu söylüyor.
” Bu durum yalnızca bir sistemin gerçek haline dair bilgimizin sınırlı olduğunu mu gösterir, ya da bu durum gerçeklikle direkt uyumlu mudur?

Bu tartışma on yıllardır tamamen teorik olarak kaldı, ta ki; makalenin de yazarlarından olan Dr. Cyril Branciard ve Dr. Eric Cavalcanti ‘nin de içinde olduğu kuantum teorisyenlerinden oluşan 3 ekip bu soruya cevap bulabilmek için deneysel testler tasarladılar.

Makale yazarlarından Mr Martin Ringbauer: ” Elde ettiğimiz bulgular, ‘eğer nesnel bir gerçeklik varsa dalga fonksiyonu bu gerçeklikle uyumludur‘ sonucuna işaret ediyor” dedi.
Diğer bir deyişle, Schrödinger’in kedisi gerçekten hem ölü hem de canlı haldedir.
Ölçümler daha fazla geliştirildikçe, fizikçiler dalga fonksiyonun olası iki yorumuyla başbaşa kalacaklar: Dalga fonksiyonu gerçek mi? Yoksa yokluk mu?

Makale Referansı: “Measurements on the reality of the wavefunction.” Nature Physics (2015) DOI: 10.1038/nphys3233

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Kuantum Teori: Einstein Schrödinger’in Kedisini Kurtarıyor

1915’te Albert Einstein, kütle çekimine dair anlayışımızı temelden değiştiren bir teori olan Genel Görelilik Teorisini formüle etti. Einstein, kütle çekimini; uzay ve zamanın bükülmesinin bir tezahürü olarak açıkladı. Teoriye göre; kütle, zamanın akışını değiştiriyor. “Kütle çekimsel zaman genişlemesi” olarak bilinen bu etki, büyük kütleli bir cismin etrafında zamanın yavaşlamasına sebep oluyor. Bu durum her şeyi ve herkesi etkiliyor, yani zemin katta çalışan insanlar bir üst katta çalışan iş arkadaşlarına kıyasla yılda yaklaşık 10 nano-saniye daha yavaş yaşlanıyor. Bu çok küçük etki aslında çok hassas saatlerle yapılan birçok deneyde de doğrulandı.

Şimdi University of Vienna, Harvard University ve University of Queensland’ den bir araştırma ekibi zamandaki yavaşlamanın bir başka kafa karıştırıcı olgu olan; kuantum davranıştan bizim klasik günlük davranışımıza geçişi açıklayabileceği bulgusuna ulaştı.

Kütle Çekiminin Kuantum Davranımı Baskılaması
20. Yüzyılın başlarında fizikteki bir diğer temel bulgu olan Kuantum Teorisi; doğanın temel yapıtaşlarının büyüleyici ve akıllara durgunluk veren bir davranış gösterdiğini öngörüyor. Kuantum teorisinin bizim günlük yaşamımızdaki ölçeklerle anlamlandırılması; ünlü Schrödinger’in kedisi örneği gibi durumlara dayanıyor. Fakat böylesi bir davranış (kedinin hem ölü hem de canlı olduğu) yalnızca küçük parçacıklarla yapılan deneylerde doğrulandı ve gerçek kedilerde asla gözlenemedi. Bu nedenle, bilimciler, daha geniş ölçekte –günlük yaşam ölçekleri– kuantum olgunun yıkılmasına bir şeyin sebep olması gerektiği sonucuna vardılar. Bu durum da genellikle çevredeki diğer parçacıklarla etkileşimden kaynaklı olarak meydana geliyor.

University of Vienna’dan Caslav Brukner öncülüğündeki araştırma ekibi; zaman genişlemesinin kuantum etkinin devirinde önemli bir role sahip olduğu bulgusuna ulaştılar. Araştırmacılar; önce küçük yapıtaşlarının daha büyükleri, kompozit objeleri (örneğin moleküller ve toz parçacıkları ya da mikroplar gibi) oluşturduğunu ve Dünya’daki zaman genişlemesinin bunların kuantum davranışında bir bozulmaya sebep olabileceğini hesapladılar. Küçük yapıtaşları daha büyük objeler oluştursa da çok hafif titreşim halindedirler. Ve bu titreşimler zamanın genişlemesinden etkilenir; yavaşlayıp durma noktasına gelir ve daha yüksek hızlara ulaşır. Araştırmacılar; bu etkinin kuantum süperpozisyonu yıktığını ve böylelikle de büyük objeleri günlük hayattaki gibi davranmaya zorladığını gösterdiler.

Gelecek Nesil Kuantum Deneylerine Yol Açma
Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics ‘den ve makalenin baş yazarı Igor Pikovski şöyle diyor:
“Kütle çekiminin kuantum mekaniğinde bir role sahip olması biraz şaşırtıcı geliyor. Çünkü kütle çekimi genellikle astronomik ölçeklerde çalışılıyor, fakat görünen o ki; Dünya’daki en küçük parçacıkların kuantum doğasını da değiştiriyor.”

Ve Caslav Brukner ekliyor:
“Sonuçların kütle çekiminin daha güçlü olabileceği kozmolojik ölçekte ne ifade ettiğini göreceğiz.”
Araştırma sonuçları; eğer zaman genişlemesi göz önüne alınırsa, büyük parçacıkların kendi bileşiminden kaynaklı olarak kuantum davranışını nasıl kaybettiğini ortaya çıkarıyor. Bu öngörü; yakın gelecekteki deneylerde gözlemlenebilir olmalı, böylece 20 Yüzyıl’ın en büyük iki teorisi Kuantum Teorisi ve Genel Görelilik Teorisi arasındaki karşılıklı etkileşime biraz olsun ışık tutabilir.
Araştırma Referansı: Igor Pikovski, Magdalena Zych, Fabio Costa, Časlav Brukner. Universal decoherence due to gravitational time dilation. Nature Physics, 2015; DOI: 10.1038/nphys3366
Kaynak: University of Vienna, “Einstein saves the quantum cat”,

---------------------------------------------------------------------------------------------

Kuantum ve klasik dünya arasındaki “geçiş noktası” bulundu

Eğer optik aygıtlarda ışığın gücünden bütünüyle yararlanmak istiyorsak, fotonları yani ışığı oluşturan temel birimi anlamamız gerek. Ancak bu hiç de kolay değil. Çünkü fotonların fiziksel davranışı, elektronlarda ve diğer atom altı parçacıklarda olduğu gibi, kuantum fiziği ile tanımlanıyor; klasik fizik ile değil.

Geçtiğimiz günlerde klasik ve kuantum davranışın kesişim noktasına ilişkin Bar-Ilan Üniversitesi’nde yapılan gözlem, Physical Review Letters dergisinde yayımlandı. Araştırmacılar, fiber bazlı, lineer olmayan bir süreç kullanarak, kuantum dünyasından nasıl ve hangi koşullarda klasik davranışın belirdiğini gözlemleyebildiler.

“Dolaşıklığın” Üstü ve Dışı

Kuantum dünyasında, foton çiftleri “dolaşıktır“. Yani birbirlerinden çok uzakta olsalar bile, birine uygulanan ölçüm diğerini de etkiler. Albert Einstein tarafından “uzaktan hayaletimsi etki” olarak adlandırılan bu olay, bir başka sağduyuya aykırı iddiayı gündeme getirmiştir. O da şu ki, gözlemlenmedikleri sürece fotonlar eşzamanlı olarak tüm olası durumlarda bulunurlar.

Genişbantlı dört-dalga karışımı (FWM) denilen iyi düzenlenmiş bir teknik kullanarak, bilimciler optik bir fiberden lazer ateşleyerek, dolaşık foton çiftleri yani bi-fotonlar üretti. “FWM tekil bi-fotonların kuantum haberleşme şemaları açısından önemli bir kaynak, özellikle de fiber-içi uygulamalarda,” diyor makalenin başyazarı Rafi Vered.

Doktora öğrencisi olan Vered’in çalışması, Bar-Ilan Üniversitesi Fizik Bölümü ve Bar-Ilan Nanoteknoloji ve İleri Malzemeler Enstitüsü öğretim görevlileri Dr. Avi Pe’er ve Prof. Michael Rosenbluh danışmanlığında sürüyor.
“Bi-fotonları, sistemin ya saf klasik ya da saf kuantum davranış göstermesini sağlayan yüksek veya düşük güçlü lazer atımları ile üretmek yerine, biz orta dereceli bir güç rejimine odaklandık. Bu orta dereceli güç düzeyinde, ‘hayaletimsi’ kuantum davranış ile ‘klasik’ dalga fiziği sınırının aşıldığı geçiş noktasını gözlemleyebildik.”

Güç, Atım ve Girişim Desenleri

Araştırmacıların deney düzeneği tek bir fotonu değil de, sadece foton çiftlerini etkileyen benzersiz bir girişim görüngüsü üzerine odaklandı. Bu girişimin miktar ölçümü, ışığın hem dalga benzeri hem de parçacık benzeri davranışını kapsayan ikili doğasının açığa çıkabileceği bir çeşit optik “engelleme durumu” yaratılarak başarıldı.
“Deneyimizde, foton çiftlerinin dalga benzeri girişim deseni sergilerken, parçacık gibi davranmalarını inceledik,” diye açıklayan Pe’er, bu etkinin bir bi-foton çiftindeki fotonlar arasındaki kuantum dolaşıklıkla kesinlikle bağlantılı olduğunu ekliyor. “Bu girişimi bir zayıflatıcı -ışın bölücü- ekleyip yöneterek, fotonlar arasındaki kuantum dolaşıklığı bilinçli biçimde kırdık.”

Pe’er’a göre, ışığın zayıflatıcıdan geçişi pek çok fotonu bi-foton eşinden sıyırıyor ve böylece ayrılmamış bir foton çiftinin zayıflatıcıdan geçme olasılığının, tek bir fotonun kendi başına geçme olasılığından çok daha düşük olmasına yol açıyor. Bi-fotonlara özgü girişimi büyük ölçüde düşüren bu değişim, doğrudan değişken lazer güç düzeyleri ile bilimciler tarafından belirleniyor.

“Oldukça geniş bir güç düzeyi yelpazesinde lazer atımları ateşleyerek bi-fotonlar ürettik,” diyen Vered şöyle devam ediyor: “Bi-foton sayısı belli bir sınır değerin altında olduğunda, özelliklerini kuantum mekaniği ile tanımlamak gerekiyor. Ancak, eğer çok sayıda çift başarıyla geçerse, bunların davranışı klasik fizik ilkeleri ile öngörülebiliyor. Böylece biz de ışığın kuantum doğasının, klasik yasalarla yönetilen ve kuantum olmayan kurallara uyacak biçime ‘çöktüğü’ geçiş noktasını tanımlayabildik.”

Ultra-Hızlı Bi-foton Algılaması

Makalede söz edilen bir diğer başarı da bilimcilerin bi-fotonları benzeri görülmemiş yüksek bir oranda algılayabilmeleri.
“Laboratuvarımız, tekil bi-fotonların üretimi ve iletiminde (saniyede yaklaşık 1014 bi-foton) dünya rekoruna sahip,” diyor kuantum optiği ve lazer fiziği uzmanı Pe’er. Ayrıca bu son çalışmaya kadar, bu kadar yüksek sayıda bi-fotonun bir özellik değil, bir hata olarak düşünüldüğünü de ekliyor.

“Bu çalışmada, bi-fotonları yani dolaşık enerji taneciği çiftlerini üretmek için fiber bazlı lineer olmayan bir süreç denedik,” diyen Pe’er, ortaya çıkan geniş bant ultra-yüksek (gerçek deneyde saniyede 1014 bi-fotona kadar) akımın, her pikosaniyede yaklaşık 100 fotonun hedeflerine ulaşabileceğini belirtiyor. “Diğer yöntemlere göre bu dev bir ilerleme. Şimdiye dek başka hiç bir foton algılama yöntemi bu kadar yüksek bir akım değerine, gelen veriyi ‘boğmadan’ erişemiyordu. Biz bu sorunu, farklı bir algılama ilkesi ile çözdük. Algılayıcıda, iletimde kullanılanlar gibi lineer olmayan fiber kullandık. Böylece süreci ters çevirerek, bi-fotonları vardıklarında tanımladık.”

“Schrödinger’in Kedisi”ni Görmenin Başka Yolları

Vered’e göre, çalışmanın ilginç bir yönü de kuantum süperpozisyona (dolaşık taneciklerin gözlemlenene dek olası tüm durumlarda bulunmasına) ilişkin sunduğu sağlam, optik tabanlı bakış açısı.
“Kuantum kuramının tüm popüler açıklamaları genelde Schrödinger’in kedisi deneyi ile başlar,” diyor Vered. “Yaşam ile ölüm arasındaki geçiş noktasına bakmak yerine, bizim deneyimiz kuantum davranışın nasıl klasik fizik doğurduğunu inceliyor. Kuantum davranış çok küçük ölçekte kendini gösterdiğinden, geçiş noktasını, Schrödinger’in kedisinin aynı anda hem ölü hem canlı algılanacağı kadar küçük boyutlara indiği yer olarak tanımladığımız düşünülebilir.”

Kaynak: Phys.org – Team finds ‘tipping point’ between quantum and classical worlds –

---------------------------------------------------------------------------------------

Kuantum Fotoniğin Bir Eksiği Daha Tamamlandı

Işığa yani fotonlara dayanan yeni bilgi teknolojisinde büyük bir potansiyel var. Işık parçacıkları olan fotonlar bilgi taşımak için son derece elverişliler ve fotonları temel alan kuantum teknolojisi (kuantum fotonik), şu anki bilgisayar teknolojisinden çok daha fazla bilgi tutabilecek. Fakat fotonlarla bir ağ kurabilmek için bir foton kontağı gerekli; fotonların devre içinde taşınımını kontrol edebilen bir tür transistör yani. Kopenhag Niels Bohr Enstitüsü ve Kore Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden araştırmacılar birlikte çalışarak, böyle bir kontak üretmeyi başardı. Çalışma sonuçları Nature Communications dergisinin son sayısında yayımlandı.
Kuantum bilgi, optik olarak yani ışık kullanılarak gönderilebilir. Bu durumda sinyal, bir ışık atımının en küçük bileşeni (kuantumu) olan fotonlardan oluşur. Kuantum bilgi, foton hangi yol boyunca gönderilmişse, orada konumlanır. Örneğin yarı-geçirgen bir aynanın sağına veya soluna gönderilebilir. Bu bildik bilgisayarlardaki 0 ve 1’den oluşan bitlerle kıyaslanabilir. Ancak bir kuantum bitin klasik bitten daha fazlası olduğunu unutmamak gerek. Çünkü aynı anda hem 0 hem de 1 durumunda olabilir ve tek bir foton olduğu için algılanmadan okunamaz. Ayrıca kuantum teknolojisi ile eski tip bilgisayar teknolojisinden çok daha fazla bilgi depolanabilir. Dolayısıyla ilerisi için bilgi teknolojisi alanındaki potansiyeli çok daha fazladır.

Işığı kontrol etmek
Işık normalde her yöne yayılır. Ancak ışığa dayanan kuantum teknolojisi geliştirmek için ışığı tek tek fotonlarına kadar kontrol edebiliyor olmak gerekir. Niels Bohr Enstitüsü’ndeki Kuantum Fotonik ekibi bir süredir bunun için çalışmaktaydı. Kuantum nokta (İng. quantum dot) gömülü bir optik çip kullanarak bunu başardılar. Optik çip, 100 mikron genişliğinde ve 160 nanometre kalınlığında aşırı küçük bir fotonik kristalden yapıldı. Çipin ortasında gömülü durumda bir dizi atomdan oluşan bir kuantum nokta bulunuyor.

“Geliştirdiğimiz fotonik çip sayesinde, kuantum nokta her seferinde tek bir foton yayacak ve bu fotonun yönünü kontrol edebileceğiz. Getirdiğimiz en büyük yenilik, kuantum noktanın fotonlar için bir kontak olarak kullanılması; bir tür transistör gibi. Fotonlardan oluşan karmaşık bir ağ yaratmada bu önemli bir bileşen,” diyor Kuantum Fotonik grubu lideri Peter Lodahl.

Fotonlar İçin Geçit
Deneyler, Niels Bohr Enstitüsü’nin bodrumunda bulunan laboratuvarlarda gerçekleştirilmiş. Böylece yoldan kaynaklanan titreşimlerin ve bozucu ortam ışıklarının önü kesilmiş. Deneyde foton üretmek için lazer kullanan ekip, lazeri en kısık ayara getirdiğinde tek bir foton yayılımı sağlamış. Yoğunluk biraz arttırıldığında da iki ya da daha fazla sayıda foton yayılım olasılığı arttırılmış. Sonuçlar açısından yayılan foton sayısı önem taşıyor.
“Kuantum noktaya tek bir foton gönderirsek, geri püskürtülecektir; geçit kapatılır. Fakat eğer iki foton yollarsak, durum kökten değişir; geçit açılır ve iki foton dolaşıklaştırılıp öteye geçirilir,” şeklinde açıklıyor doktora sonrası araştırmacısı Alisa Javadi. Dolayısıyla kuantum nokta burada bir foton kontağı gibi iş yapıyor. Bu da büyük ölçekli karmaşık kuantum fotonik devreler yapılandırmak için olmazsa olmaz bir bileşen.
Kuantum Fotonik araştırma ekibi üyelerinden Alisa Javadi deneyin yapıldığı laboratuvarda görülüyor.

Kaynak: Phys.org, “Photons open the gateway for quantum networks”
Referans: Nature Cummunications, “Single-photon non-linear optics with a quantum dot in a waveguide”
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Parçacık alışverişi olmadan kuantum durum aktarımı

Bilinmeyen bir kuantum durumunun bir yerden başka yere taşınması için günümüzde kullanılan dolaşıklık temelli kuantum haberleşme düzenekleri, gönderici ile alıcı arasında klasik parçacık taşınımını gerektirir. Geçtiğimiz haftalarda Çin’de bulunan Harbin Teknoloji Enstitüsü, Yanbian Üniversitesi ve Changchun Üniversitesi’nden araştırmacıların yayımladığı bir makalede ise kuantum bilginin iki uzak katılımcı arasında hiçbir fiziksel parçacık alışverişi olmadan transfer edilebildiği gösteriliyor. Bilimciler bunu iki yerel olmayan kubiti etkileşim olmadan birbirleri ile dolaşık duruma getirerek başarıyor. Yani bu düzenek ile bilinmeyen bir kubit, deterministik olmayan bir biçimde, taraflar arasında klasik haberleşme ya da dolaşıklık olmadan da transfer edilebiliyor. Dahası bu yaklaşım, aralarında etkileşim olmayan iki kubitin dolaşıklaştırılmasını sağlayarak, yeni bir dolaşıklık yaratma yöntemi sunuyor.

Scientific Reports dergisinde yayımlanan makalenin yazarlarından Shou Zhang şöyle diyor: “Uzun zamandır bilgi transferi için fiziksel parçacık alışverişinin gerekli olduğu varsayılmaktaydı. Bu düşünceye ilk olarak 2013 yılında Hatim Salih ve çalışma arkadaşları tarafından meydan okundu. O çalışmada iki konum arasında, fiziksel parçacık aracılığı olmadan bilgi transferi ele alınmıştı. Bu iletişim protokolü bize esin kaynağı oldu ve acaba kuantum bilgiyi de böyle taşımak mümkün mü diye düşündük. Bizim düzeneğimiz de Salih’inkinin klasik bit ile değil de kuantum bit ile ilgilenen hâli olarak düşünülebilir.”

Kuantum enformasyon biliminde en küçük enformasyon biriminin ‘kuantum durum kodlu kubit‘ olduğunu belirten Zhang, şimdiye dek, bilinmeyen kuantum durum transferi için fiziksel paçacık gönderimi gerektiğini yineliyor. “Örneğin kuantum ışınlama için önceden dolaşıklığın sağlanmış olması ve klasik haberleşme yöntemlerinin uygulanması gerekiyordu. Hem dolaşıklık paylaşımını, hem de klasik haberleşmeyi ise fiziksel parçacık göndermeden başaran olmamıştı. Bizim tasarımızda dolaşıklık paylaşımı ve klasik haberleşme gereksizleşiyor,” diyor.

Etkileşim olmadan dolaşıklık mümkün

Makalede, yerel olmayan iki kubitin birbirleri ile etkileşmeden dolaşık duruma gelmeleri sayesinde düzeneğin işleyeceği belirtiliyor. Zhang en zorlu kısmın, Salih’in tasarısındaki engelleyici nesnenin bilinmeyen bir ‘varlık ve yokluk süperpozisyonu’ durumuna nasıl sokulacağı olduğunu söylüyor. “Dolaşıklık pek çok yerel olmayan kuantum bilgi görevleri için temel kaynak. Bununla birlikte, uzak ayrılabilir durumların sadece yerel işlemler ve klasik haberleşme yoluyla dolaşıklaştırılamayacağı biliniyor. Yerel olmayan etkileşim, dolaşıklık değiştokuşu veya parçacık aracılığı gerektirmekteyken, şimdi etkileşimden bağımsız ölçüm ile dolaşıklık yaratmada yeni bir yol açıldı. İki kubit etkileşim olmadan dolaşıklaşabilir,” diyor.

Bu kuramsal çalışmanın uygulamaya dökülmesinde en önemli noktanın engelleyici nesnenin kuantum versiyonu olduğunun ve tipik ışınlamadan farklı olarak bilinmeyen kubitin iki taraf arasında iletiminin deterministik olmayacağının altı çiziliyor. İlkesel olarak kusursuz olan pek çok kuramın pratikte karşılaştığı sınırlamalar düşünülürse, bu yöntemin de taraflar arası uzaklık başta olmak üzere çeşitli limitler içinde işe yarayabilme olasılığı yüksek görünüyor. Deneycilerin yanısıra, ilkenin ardında yatan mekanizmanın tam olarak açığa çıkarılması için kuramcılara da büyük iş düşüyor.

Kaynak: Nature “Counterfactual quantum-information transfer without transmitting any physical particles”

Makroskopik bir kuantum durumunun içine ilk bakış

İspanya’nın Barselona kentindeki Fotonik Bilimler Enstitüsü’nden (ICFO) Prof. Morgan Mitchell liderliğindeki ekip tarafından ilk kez bir sıkıştırılmış ışık demetindeki farklı foton çiftleri arasında dolaşıklık saptandı.

Kuantum dolaşıklık hep mikroskopik dünya ile ilişkilendirilir. Ancak ışığın sıkıştırılması ve hızlı trenlerin yerden yükselmesini sağlayan süper iletkenlik gibi çok çarpıcı makroskopik etkileri de vardır. Sıkıştırılmış ışık fiziksel olarak bir sıkıştırmayı değil de, ışığın özelliklerinden birinin son derece kesin doğrulukla tanımlanışını belirtir; örneğin polarizasyonunun. Normal ışıkla karşılaştırıldığında, bağımsız fotonlardan oluşan lazer ışığı aşırı küçük ama sıfırdan farklı bir polarizasyon belirsizliğine sahiptir. Bu belirsizlik yani “kuantum gürültü” doğrudan fotonların varlığıyla bağlantılıdır. Sıkıştırılmış ışığın ise bu düzeyden çok daha düşük bir belirsizliği vardır. Dolayısıyla, optik haberleşmede sıkıştırılmış ışık, aynı sinyal-gürültü oranı ve aynı ışık gücü ile daha zayıf sinyaller gönderilmesine yardım edebilir. Ayrıca kuantum kriptografi ile iki farklı tarafa gizli şifre dağıtımında kullanılabilir.

Pek çok makroskopik görüngünün büyük ölçekli dolaşıklıktan kaynaklandığı görüşüne uzun süreden beri inanılsa da, şimdiye dek bu bağlantı sadece kuramsal olarak öne sürülmekteydi. Öte yandan, bilgisayar ile yapılmakta olan dolaşık parçacık simülasyonlarında, gerekli bellek ve işlemci süresi dolaşık parçacık sayısı ile üstel olarak arttığından, buna ilişkin yeni özelliklerin anlaşılmasına yardımcı olmuyordu. Çalışmalar bir kaç parçacık ile sınırlı kalıyordu. Tüm bu meselelere rağmen, spin-sıkıştırıcı deneyler çok sayıda dolaşık atomun gözlendiği iddiasına olanak tanıdı. Ancak bunlar makroskopik özellikleri ölçüp dolaşıklık çıkarımı yapmak için kurama başvurduğu için dolaylı iddialardı.

Prof. Mitchell’ın yorumu şöyle: “Kuantum mekaniği beni hep heyecanlandırıyor. Sıkıştırılmış bir durum içinde dolaşık parçacıklar denizi olması gerektiğini söyleyen kuramsal öngörüler ortaya çıktığında çok şaşırdım. Bunu yakından görmek için deney yapmak zorunda olduğumuzu biliyordum.”

Şimdi ilk kez, ICFO bilimcileri bu bağlantıyı doğrudan ve deneysel olarak onaylamayı başardı. Bunu yapmak için, öngörüye göre neredeyse bütünüyle dolaşık fotondan oluşan bir sıkıştırılmış ışık demeti ürettiler. Ardından az sayıda fotonu rastgele çıkardılar ve kuantum durumlarını ölçtüler; özellikle de foton çiftlerinin ortak polarizasyon durumlarını. Pek çok deneysel engeli aştıktan sonra buldukları şu oldu: Kuramsal öngörülere uygun biçimde, birbirine yakın bulunan herhangi iki atom dolaşık durumdaydı. Demetin yoğunluğunu değiştirerek, parçacıkların ancak az sayıda dolaşık partnerleri varken güçlü bir dolaşıklıklarının olabildiği tek eşli dolaşıklığın etkilerini de gözlemlediler.

“Deney korkunç derecede zordu; sıkıştırma ile dolaşık foton algılamayı bir arada kullanmak zorundaydık. Çok sayıda çözülmemiş sorun vardı. Deneyi mümkün kılmak için bir sürü şey icat etmemiz gerekti; süper ince optik filtreler gibi,” diyor Federica Beduini.

Bu araştırmadan elde edilen bulgular, süperiletkenlik, süperakışkanlık, optik haberleşme ve kuantum hesaplamada kubit geliştirilmesi gibi alanlarda çalışılması gereken diğer makroskopik çok cisimli sistemler ve Bose-Einstein yoğuşuk maddesi gibi kuantum gazları için de ümit verici ilerlemeler sunuyor.

Makale Referansı: Federica A. Beduini, Joanna A. Zielińska, Vito G. Lucivero, Yannick A. de Icaza Astiz, and Morgan W. Mitchell. Macroscopic quantum state analyzed particle by particle. Phys. Rev. Lett., 2015 (accepted)

Kaynak: ICFO-The Institute of Photonic Sciences. “First glimpse inside a macroscopic quantum state.” ScienceDaily. ScienceDaily, 27 March 2015.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Bose-Einstein yoğuşuk maddesi ile kuantum kütle kazanımı gözlenebilir

Japonya’daki Riken Enstitüsü araştırmacıları tarafından, normalde kütlesiz olan bir parçacığa kütle kazandıran alışılmadık bir kuantum etkisinin gözlemlenmesini sağlayabilecek bir yöntem öne sürüldü.

Mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda, atomlar Bose-Einstein yoğuşuk maddesi olarak bilinen toplu bir durum oluşturmaya başlayabilir. Bilimciler maddenin bu hâlinin, kuram tarafından öngörülen, fakat yaratmanın ya da doğrudan gözlemlemenin zor olduğu parçacıkları araştırmada kullanılacak bir kuantum simülatörü olarak işe yarayabileceğini anladı.

“Kuantum simülatörleri pek çok işe yarayabilir. Parçacık etkileşimlerinin, parçacık yoğunluklarının ve sıcaklığın ayarlanmasında kullanılabilir,” diyor Masahito Ueda. “Bu alandaki en acil konu, böyle atomik gazlarda ilk kez gösterilebilecek çok temel bir şeyin bulunması.”

Enerji açığının büyüklüğü ölçülüyor

Matematiksel modelleme yaparak Ueda ve meslektaşları Nguyen Thanh Phuc ile Yuki Kawaguchi bir Bose-Einstein yoğuşuk maddesinin, kuantum kütle kazanımı olarak adlandırılan ve şimdiye dek gözlemlenememiş olan bir olgunun simüle edilmesinde kullanılabileceğini gösterdi. Bu etki normalde kütlesiz bir temel parçacık olan sanki-Nambu-Goldstone (quasi-Nambu-Goldstone) bozonunun, minik kuantum çalkalanmaları sonucunda kütle kazanmasını sağlıyor. Araştırmacılar bu etkinin süper akışkanlarda, süper iletkenlerde ve bazı manyetik malzemelerde belirebileceğini düşünüyor. Yine de kuantum kütle kazanımı hiç gözlemlenmedi, çünkü etki diğer ikincil etkilerden ayırt edilemeyecek denli küçük oluyordu. Yani ortaya çıkan enerji açığı çok küçük olduğundan saptanamıyordu.

“Aşırı küçük olan bu kuantum görüngüsü, Bose-Einstein yoğuşuk maddesi içinde yükseltilerek makroskopik bir düzeye ulaşıyor ve böylece görünür oluyor,” diye açıklıyor Ueda. Araştırmacıların analizleri, Bose-Einstein yoğuşuk maddesi içindeki sanki-Nambu-Goldstone bozonunun ortaya çıkan enerji açığının, sistemin sıfır noktası enerjisinden iki mertebe daha büyük olduğunu gösteriyor. Bu alışılmadık ölçüde büyük olan enerji açığı, durumun tahmin edilenden de sağlam olduğu anlamına geliyor ve deneysel olarak kuantum kütle kazanımının gözlemlenmesi umudunu arttırıyor.

Atom spini önemli

Gaz için kullanılacak atomun seçimi, kuantum kütle kazanımının gözlemlenmesinde büyük önem taşıyor. Bose-Einstein yoğuşuk maddesi çoğunlukla helyum atomları ve spin-kutuplanmalı alkali atomlar kullanılarak yapılıyor ve bunlar spinsiz oluyor. Ueda’nın takımı kuantum kütle kazanımının gözlenebilmesi için spin ‘serbestlik dereceleri‘ olan atomlar gerektiğini gösterdi. Böyle bir spinor Bose-Einstein yoğuşuk maddesini oluşturmak için rubidyum atomları kullanılabilir.

“Çalışmamız, sadece parçacık hızlandırıcılar kullanılarak sınanabileceği düşünülen bazı temel fiziksel görüngülerin, bir masanın üstünde de gerçekleştirilebileceğini gösteriyor,” diyen Ueda şöyle devam ediyor: “Şimdi başka hangi temel görüngüleri atomik Bose-Einstein yoğuşuk maddesi içinde açığa çıkarabileceğimizi araştırıyoruz.”

Kaynak: Phuc, N. T., Kawaguchi, Y. & Ueda, M. “Quantum mass acquisition in spinor Bose-Einstein condensates.” Physical Review Letters 113, 230401 (2014). DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.230401

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

3.000 atom tek bir fotonla dolaşıklaştırıldı

MIT ve Belgrade Üniversitesi’nden fizikçiler, 3.000 tane atomu tek bir foton kullanarak dolaşık duruma getiren yeni bir teknik geliştirdi. Nature dergisinde yayınlanan sonuçlar, şimdiye dek deneysel olarak birbirine dolaşıklaştırılan en yüksek parçacık sayısını veriyor.

Araştırmacılar, daha duyarlı atomik saatlerin gerçekleştirilmesinde kilit bileşen olan kalabalık dolaşık atom topluluklarının üretilmesinde, bu tekniğin gerçekçi bir yöntem sağladığını belirtiyorlar.

“Tek bir fotonun 3.000 tane atomun durumunu değiştiremeyeceği düşüncesinde olabilirsiniz, ama bu tek foton bunu yapıyor. Daha önce olmayan bağlaşıklıklar yapılandırıyor,” diyor MIT Fizik Bölümü’nden Prof. Vladan Vuletic, “Temel olarak, yeni bir elde edilebilir dolaşık durumlar sınıfı açmış olduk. Ancak daha araştırılacak çok fazla sınıf var.”

Vuletic’le birlikte makaleyi hazırlayanlar arasında MIT’den Robert McConnell, Hao Zhang, Jiazhong Hu ve Belgrade Üniversitesi’nden Senka Cuk da bulunuyor.

Atomik Dolaşıklık ve Zaman Ölçümü

Dolaşıklık çok ilginç bir olay: Kuramın belirttiği gibi, iki ya da daha fazla parçacık öyle bir bağlaşıklık içinde olabilir ki, birine uygulanan herhangi bir değişiklik, ne uzaklıkta olursa olsun diğerlerini de eş zamanlı bir değişime uğratır. Örneğin, dolaşık bir çiftteki atomlardan birinin dönüşü saat yönünde ayarlanırsa, diğeri eşzamanlı olarak saat yönünün tersinde spine sahip olur; fiziksel olarak birbirlerinden binlerce kilometre uzakta olsalar bile.

Albert Einstein tarafından “uzaktan hayaletimsi etki” olarak görmezden gelinmeye çalışılan dolaşıklık görüngüsü klasik fizik yasaları ile değil, parçacık etkileşimlerini nano ölçekte açıklayan kuantum mekaniği ile betimlenir. Böylesine küçük ölçeklerde parçacıkların davranışı, makro ölçekteki maddeden farklıdır.

Bilimciler bir süredir sadece çiftlerin değil, kalabalık atom topluluklarının dolaşık duruma getirilmesine çalışmaktaydı. Bu tür topluluklar, güçlü kuantum bilgisayarların ve daha duyarlı atomik saatlerin temelini oluşturabilirdi. Vuletic’in grubunu harekete geçiren de, atomik saat konusu oldu.

Günümüzde kullanılan en iyi atomik saatlerin temelinde, tuzaklanmış (sabitlenmiş) atomlardan oluşan bir bulut içindeki doğal salınımlar var. Atomlar salınım yaparken bir sarkaç gibi davranırlar, yani zamanlamaları değişmez. Saat içindeki bir lazer ışını atom bulutuna yönelmiştir ve atomların titreşimlerini algılayarak, tek bir saniyenin uzunluğunu belirleyebilir. Vuletic, Büyük Patlama’dan bu yana çalışıyor olsalar en fazla bir saniyelik yanılma payı olacak denli harika olan bu saatlerin de ötesini geçmeyi umuyor.

Atomik saatlerin doğruluğu, bulutta salınan atom sayısına bağlı olarak artıyor. Geleneksel atomik saatlerin duyarlılığı, atom sayısının karekökü ile orantılı. Örneğin, atom sayısını dokuz katına çıkarırsanız, saatin doğruluğu ancak üç kat artıyor. Eğer bu atomlar dolaşık olsaydı, saatin duyarlılığı doğrudan atom sayısına bağlı olurdu; yani dokuz kat daha doğru olurdu. Dolaşık parçacıkların sayısı ne denli arttırılırsa, saatin keskinliği de o kadar artardı.

Kuantum Gürültüyü Ayıklamak

Çalışmaların çoğu atom gruplarında sadece çifter çifter dolaşıklık üretse de, bilimciler çok sayıda atomu dolaşık duruma getirmeyi başarabilmişti. Sadece bir takım tarafından 100 tane atom başarılı biçimde birbirine karıştırılmış ve bu sayı her ne kadar tüm grubun küçük bir bölümü olsa da tarihe geçmişti.

Şimdi Vuletic ve meslektaşları 3.000 atom arasında dolaşıklık oluşturmayı başardı. Bu sayı neredeyse atom grubundaki tüm atomların sayısı kadar ve bu çok zayıf bir lazer ışığı kullanarak yapıldı. Hatta tek bir foton içeren atımlara kadar inildi. “Işık ne kadar zayıf olursa o kadar iyi,” diyen Vuletic, böylece buluttaki dağılmayı azaltıyor. “Sistem nispeten temiz bir kuantum durumunda kalıyor,” diye ekliyor.

Araştırmacıların yaptığı ilk önce bir atom bulutunu soğutup atomları bir lazer tuzağına düşürmek ve sonra buluta zayıf bir lazer atımı göndermek. Ardından ışın içindeki tek bir fotonu aramak için algılayıcı kullanıyorlar. Vuletic bunu şöyle açıklıyor: ” Eğer bir foton, atom bulutundan herhangi bir olay olmadan geçerse, polarizasyonu (salınım doğrultusu) aynı kalır. Ancak eğer foton atomlarla etkileşime girerse, polarizasyonu biraz sapar. Bu da onun, dönen atomlar topluluğundaki kuantum “gürültü“den etkilendiğini gösterir. Gürültü, saat yönünde dönen atomlarla, saatin tersi yönünde dönen atomların sayıları arasındaki farka bağlıdır. ”

“Arada bir öyle bir foton çıkışı gözlemliyoruz ki, o fotonun elektrik alan salınımı, giren fotonlarınkine tam dik doğrultuda oluyor. Böyle bir foton algıladığımızda, buna neden olan şeyin atom topluluğu olması gerektiğini biliyoruz ve şaşırtıcı biçimde bu algılama, atomlar arasında son derece güçlü bir dolaşıklık durumu üretiyor.”

Vuletic ile meslektaşları şu anda tekil foton algılama tekniği kullanarak, “standart kuantum limit” olarak bilinen kuantum sistemlerdeki ölçüm doğruluğu sınırını aşmayı ve böylece son model bir atom saati yapmayı umuyor.

Araştırma Referansı: Robert McConnell, Hao Zhang, Jiazhong Hu, Senka Ćuk, Vladan Vuletić.Entanglement with negative Wigner function of almost 3,000 atoms heralded by one photon. Nature, 2015; 519 (7544): 439 DOI: 10.1038/nature14293

Kaynak: Massachusetts Institute of Technology. “Thousands of atoms entangled with a single photon.” ScienceDaily. ScienceDaily, 25 March 2015.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

May 30, 2015 Sevkan Uzel

Aralarındaki uzaklıktan bağımsız olarak bağlantılı olan yani “dolaşık” fotonların arasındaki narin ilişkiyi doğru biçimde irdelemek kuantum kriptografinin, hatta belki de ışınlanmanın (İng. teleportation) önemli öğelerinden biridir. Son çalışmaları ile A*STAR araştırmacıları bir “tanık ailesi” kullanarak dolaşık fotonları algılamak için optimize edilmiş yeni bir yöntem geliştirdi.
Bir kuantum durumunun dolaşık mı yoksa ayrılabilir mi olduğuna hüküm vermek için çok sayıda tanık gerekiyor.
Dolaşıklık kavramı kuantum kriptografinin kritik yanlarındandır. Birbirlerinden ne kadar uzakta olurlarsa olsunlar, dolaşık iki fotondan birini etkileyen olay diğerini de etkiler. Kuantum mekaniğinde bir şeyin dolaşık olup olmadığını kesin olarak saptamak için tanığa gerek duyulur. Bu bağlamda tanık, parçacığın durumunu ölçerek belirleyebilen herhangi bir şeydir.

Bir tanığın “beklenen değeri”ni hesaplayarak dolaşıklık tahmini yapılabilir. Eğer değer negatif ise kuantum bitleri yani kubitler dolaşık demektir. Eğer beklenen değer sıfır ya da pozitif ise durumlar dolaşık da olabilir, ayrılabilir de olabilir. Bu durumda tanık güvenilir değildir ve bir başka tanık gerekli olur. İlişkisiz tanıkların beklenen değerlerini teker teker hesaplamak, sağlam bir yanıt üretmekten uzaktır. Fakat eğer tanıklar ilişkili olursa, o zaman dolaşıklık hem kesin hem de verimli biçimde belirlenebilir.
A*STAR Veri Depolama Enstitüsü ve Singapur Ulusal Üniversitesi’nden Leonid Krivitsky ile meslektaşları bir tanık ailesi kullanma düşüncesini hem kuramsal hem de deneysel bakımlardan incelemiş. “Bir tanık ailesi, tek bir deney düzeneği kullanarak ölçülebilen, her bir tanığın belli bir parametrenin farklı değeri ile belirlendiği bir tanıklar kümesidir,” diye açıklıyor Krivitsky.
Ekip 2-kubit bir sisteme odaklanmış ve sadece kutuplanma durumunu dikkate almış. Bu senaryoda tanık ailelerini ölçmek için ışın ayırıcılar, dalga düzlükleri ve algılayıcılardan oluşan interferometrelerden yararlanılmış. Her bir düzenek ayrı bir tanık ailesini ölçmek için kullanılmış. “Tüm aileleri bir seferde ölçtük. Daha önceki deneylerde tanıklar tek tek ölçülüyordu; bizim çalışmamızın farkı burada,” diyor Krivitsky.
Rastgele ve uyumlu hâle getirilebilir ölçme stratejileri kullanarak çalışan ekip, hem fiziksel ölçümler hem de Monte Carlo simülasyonları kullanmış. Adapte edilebilir (önceki ölçümlerden gelen bilgiyi kullanarak ölçülecek bir sonraki aileyi seçen) ölçüm düzeneklerinin, dolaşıklığı doğrulamak için gereken tanık sayısını önemli ölçüde azalttığını görmüşler. Elde edilen bulguların kuantum durum tomografisi ölçümlerinin güvenilirliğini yükseltmesi mümkün görünüyor.

Kaynak: “Experimental detection of entanglement with optimal-witness families.” Physical Review Letters 113, 170402 (2014). dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.170402

Kuantum Dünyasında Olayların Gerçekleşme Sırası Belirsiz Olabiliyor
Kas 6, 2015 Sevkan Uzel

Kuantum süperpozisyonda (durumların üst üste binmesi halinde) bir kuantum nesne aynı anda birbiriyle bağdaşmayan iki durumda birden bulunabilir. Bunun en ünlü örneği Schrödinger’in hem canlı hem de ölü olan kedisidir. Geçtiğimiz günlerde yapılan bir çalışma, süperpozisyonda durumların bağdaşmaz olmakla kalmayıp, olay sıralamasının da bağdaşmaz olabileceğini gösterdi.
Biz genellikle olayların belli bir kronolojik sıralama içinde gerçekleştiğini düşünürüz. Önce A olayı olur, ardından ve onun neden olması sonucu B olayı olur, diye düşünürüz. Ancak kimi kuantum süreçlerde olaylar tek bir belirlli sıralama ile gerçekleşmez; iki farklı sıralama (önce A sonra B ve önce B sonra A) aynı anda olmaktadır. Sağduyuya aykırı bu süperpozisyon benzeri görüngü “nedensel ayrılamazlık” (İng.causal nonseparability) olarak adlandırılır.

“Günlük hayatta birşeyin ardından diğer şeyi deneyimlemeye, nedenlerini izleyen etkilere alışkınız. O yüzden doğanın derinliklerinde işlerin böyle yürümediğini fark etmek biraz tedirgin edici. Olaylar belli bir nedensellik sıralaması olmadan oluyor; dolayısıyla hangisinin sebep hangisinin sonuç olduğunu söyleyemiyoruz,” diyor Viyana Kuantum Optik ve Kuantum Bilgi Enstitüsü’nden Mateus Araújo.

Şimdiye dek, kuantum mekaniğindeki nedensel ayrılamazlık sadece çok soyut bir yönden düşünülmüştü ve herhangi bir açık fiziksel yorumdan yoksundu. Bulguları New Journal of Physics dergisinde yayımlanan makale ile paylaşılan bu son çalışma sayesinde, Araújo ve ekibi tarafından nedensel ayrılamazlık sergileyen fiziksel bir kuantum süreç örneği tanımlanmış oldu.
“Görelilik kuramı zaten mutlak, küresel bir zaman olması fikrini çoktan sarsmış durumdaydı. Zamanın akışını ve zamansal ilişkileri herkes aynı şekilde deneyimlemiyor. Farklı referans çerçevelerinde bulunan farklı gözlemciler, hangi olayın önce hangisinin sonra olduğu konusunda anlaşmazlığa düşüyorlar örneğin,” diyor Fransa Grenoble Alpes Üniversitesi’nden Cyril Branciard.

“Öte yandan kuantum kuramı, fiziksel sistemlerin iyi-tanımlı özelliklere sahip olmayabileceğini ve bağdaşmaz durumların süperpozisyonu halinde bulunabileceğini söyleyerek gerçekliği kavrayışımızı sarstı. Örneğin bir kedi hem canlı hem de ölü olabiliyordu. Şimdi de gördük ki, sadece fiziksel özellikler değil, nedensel ilişkiler de (nedensel sıralamalar da) tanımsız olabilir ve bir nevi süperpozisyon halinde bulunabilir. Bu görüngü şimdiye dek deneysel olarak gözlenememişti,” şeklinde devam ediyor Branciard.

Kuantum Düğme
Fizikçilerin incelediği ve yakın zamanda kuantum bilgisayarların verimini arttırabilecek bir yöntem olarak önerilen nedensel ayrılamazlık sergileyen kuantum sürece “kuantum düğme” adı veriliyor. Yeni çalışmada fizikçiler, nedensel ayrılamazlık için bir test ortaya koyuyor. Bu testin kuantum dolaşıklık testlerine benzediğini belirtiyorlar. Her iki sınama yönteminde de, eğer tüm işlemler “klasik” yolla (yani nedensel ayrılamazlık sınamasında sadece nedensel ayrılabilir kaynaklar ve dolaşıklık sınamasında da dolaşık olmayan durumlar kullanılarak) gerçekleştirilirse belli bir aralıkta değerler üretiliyor, öyle olmazsa başka aralıkta değerler üretiliyor.
Ekip geliştirdikleri yeni test sayesinde sadece kuantum düğmenin nedensel ayrılamazlığını algılamakla kalmayıp, herhangi bir nedensel ayrılamaz süreci de algılayabileceklerini gösterdi. Dolayısıyla gelecekte deneysel olarak kurulabilecek başka sistemlerdeki nedensel ayrılamazlığın saptanmasında da bu sınama yöntemi işe yarayacak.
Araştırmacıların yaptığı açıklamaya göre, kuantum düğmenin nedensel ayrılamaz olması (işlemlerin belirli bir sıra izlememesi), her türlü nedensel eşitsizliği (geçmişteki bir olayın nedeninin, gelecekteki bir olay olamaması) ihlal ettiği anlamına gelmiyor. Çünkü kuantum düğmede belirli bir geçmiş ve gelecek kavramı yok; üstelik de bir olayın diğerinden önce mi sonra mı olduğu belirli değil. Kuantum düğme herhangi bir nedensel eşitsizliği ihlal etmiyor olsa da, herhangi bir fiziksel sürecin deneysel olarak bunu yapıp yapamayacağı sorusu yanıt bekliyor.

Nedensel Ayrılamaz Hesaplama
Daha önce yapılan araştırmalar kuantum düğmenin, standart nedensel ayrılabilir protokollere kıyasla, hesaplama açısından avantajları olduğunu göstermişti. Bu da nedensel ayrılamazlığın kuantum bilgisayarlarda uygulama alanı bulabileceğine işaret ediyor.

“Kuantum bilgisayarlar (veya kuantum bilgi işleme görevi yerine getiren herhangi bir cihaz) üzerinde yapılan araştırmalarda tipik olarak yaptıkları işlemlerin belirli bir sırada gerçekleşmekte olduğu varsayılmıştır. Bu örneğin kuantum hesaplamanın standart devre modelinin temel varsayımıdır. O yüzden kuantum bilgisayarların gücü hakkında (çözebilecekleri problem türleri, verimleri ve çalıştırabilecekleri algoritmaların karmaşıklığı gibi konularda) elde edilen sonuçların neredeyse hepsi, sadece nedensel ayrılabilir kaynaklar için geçerli olabilir. Kuantum kuramının nedensel ayrılamaz kaynaklara (örneğin kuantum düğme gibi) izin veriyor olduğu gerçeği yeni olasılıklara kapı aralıyor. Bazı görevlerin yerine getirilmesinde nedensel ayrılamaz kaynakların, nedensel ayrılabilir olanlardan daha üstün performans göstermesini beklemek doğal,” diyor Branciard.

Böyle bir görev daha önce fizikçi Giulio Chiribella tarafından önerilmişti ve belli bir süreçteki işlemlerin sırasının önemli olup olmadığı ile ilgiliydi: Önce A sonra B yapıldığında çıkan sonuç, önce B sonra A yapıldığında çıkanla aynı olur mu? Eğer sonuç aynı ise işlemlerin sıra değiştirebilir (komüt edebilir) olduğu söylenir.
Soruyu yanıtlamak için nedensel ayrılabilir bir sürecin hem “önce A sonra B” hem de “önce B sonra A” sıralamasında süreci gerçekleştirip, sonuçları karşılaştırması gerekir. Öte yandan kuantum düğme gibi nedensel ayrılamaz bir süreç her iki sıralama şeklini de aynı anda gerçekleştirerek, problemi tek adımda çözer. Ayrılamaz süreçler daha verimli olmakla kalmayıp, bazı durumlarda problemi çözebilmek için zorunlu duruma da gelebilir. Örneğin kuantum işlemleri gerçekleştirmede kullanılan “kara kutular” tek kullanımlık (bir kullanımdan sonra yok olan türde) olabilir ve işlemin tek bir gerçekleştirilme şansı olabilir.

Kuantum düğme nedensel ayrılamazlığın en basit örneği olduğundan, fizikçiler başka tür nedensel ayrılamaz süreçlerin daha güçlü avantajlara sahip olabileceğini umuyor. Branciard şöyle diyor: “Nedensel ayrılamazlığın gücü henüz keşfedilmeyi bekliyor. Bu da araştırma alanımızı özellikle heyecan verici duruma getiriyor!”

Kaynak: Phys.org, “Quantum process demonstrates superposition of ordered events”
Referans: Mateus Araújo, et al. “Witnessing causal nonseparability.” New Journal of Physics. DOI: 10.1088/1367-2630/17/10/102001
-------------------------------------------------------------------------------

Tanıkların doğru seçimi dolaşıklığı saptamayı kolaylaştırıyor

Aralarındaki uzaklıktan bağımsız olarak bağlantılı olan yani “dolaşık” fotonların arasındaki narin ilişkiyi doğru biçimde irdelemek kuantum kriptografinin, hatta belki de ışınlanmanın (İng. teleportation) önemli öğelerinden biridir. Son çalışmaları ile A*STAR araştırmacıları bir “tanık ailesi” kullanarak dolaşık fotonları algılamak için optimize edilmiş yeni bir yöntem geliştirdi.

Dolaşıklık kavramı kuantum kriptografinin kritik yanlarındandır. Birbirlerinden ne kadar uzakta olurlarsa olsunlar, dolaşık iki fotondan birini etkileyen olay diğerini de etkiler. Kuantum mekaniğinde bir şeyin dolaşık olup olmadığını kesin olarak saptamak için tanığa gerek duyulur. Bu bağlamda tanık, parçacığın durumunu ölçerek belirleyebilen herhangi bir şeydir.

Bir tanığın “beklenen değeri”ni hesaplayarak dolaşıklık tahmini yapılabilir. Eğer değer negatif ise kuantum bitleri yani kubitler dolaşık demektir. Eğer beklenen değer sıfır ya da pozitif ise durumlar dolaşık da olabilir, ayrılabilir de olabilir. Bu durumda tanık güvenilir değildir ve bir başka tanık gerekli olur. İlişkisiz tanıkların beklenen değerlerini teker teker hesaplamak, sağlam bir yanıt üretmekten uzaktır. Fakat eğer tanıklar ilişkili olursa, o zaman dolaşıklık hem kesin hem de verimli biçimde belirlenebilir.

A*STAR Veri Depolama Enstitüsü ve Singapur Ulusal Üniversitesi’nden Leonid Krivitsky ile meslektaşları bir tanık ailesi kullanma düşüncesini hem kuramsal hem de deneysel bakımlardan incelemiş. “Bir tanık ailesi, tek bir deney düzeneği kullanarak ölçülebilen, her bir tanığın belli bir parametrenin farklı değeri ile belirlendiği bir tanıklar kümesidir,” diye açıklıyor Krivitsky.

Ekip 2-kubit bir sisteme odaklanmış ve sadece kutuplanma durumunu dikkate almış. Bu senaryoda tanık ailelerini ölçmek için ışın ayırıcılar, dalga düzlükleri ve algılayıcılardan oluşan interferometrelerden yararlanılmış. Her bir düzenek ayrı bir tanık ailesini ölçmek için kullanılmış. “Tüm aileleri bir seferde ölçtük. Daha önceki deneylerde tanıklar tek tek ölçülüyordu; bizim çalışmamızın farkı burada,” diyor Krivitsky.

Rastgele ve uyumlu hâle getirilebilir ölçme stratejileri kullanarak çalışan ekip, hem fiziksel ölçümler hem de Monte Carlo simülasyonları kullanmış. Adapte edilebilir (önceki ölçümlerden gelen bilgiyi kullanarak ölçülecek bir sonraki aileyi seçen) ölçüm düzeneklerinin, dolaşıklığı doğrulamak için gereken tanık sayısını önemli ölçüde azalttığını görmüşler. Elde edilen bulguların kuantum durum tomografisi ölçümlerinin güvenilirliğini yükseltmesi mümkün görünüyor.

Kaynak: “Experimental detection of entanglement with optimal-witness families.” Physical Review Letters 113, 170402 (2014). dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.170402

------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Kuantum Dünyasında Olayların Gerçekleşme Sırası Belirsiz Olabiliyor

Biz genellikle olayların belli bir kronolojik sıralama içinde gerçekleştiğini düşünürüz. Önce A olayı olur, ardından ve onun neden olması sonucu B olayı olur, diye düşünürüz. Ancak kimi kuantum süreçlerde olaylar tek bir belirlli sıralama ile gerçekleşmez; iki farklı sıralama (önce A sonra B ve önce B sonra A) aynı anda olmaktadır. Sağduyuya aykırı bu süperpozisyon benzeri görüngü “nedensel ayrılamazlık” (İng.causal nonseparability) olarak adlandırılır.

“Günlük hayatta birşeyin ardından diğer şeyi deneyimlemeye, nedenlerini izleyen etkilere alışkınız. O yüzden doğanın derinliklerinde işlerin böyle yürümediğini fark etmek biraz tedirgin edici. Olaylar belli bir nedensellik sıralaması olmadan oluyor; dolayısıyla hangisinin sebep hangisinin sonuç olduğunu söyleyemiyoruz,” diyor Viyana Kuantum Optik ve Kuantum Bilgi Enstitüsü’nden Mateus Araújo.

Şimdiye dek, kuantum mekaniğindeki nedensel ayrılamazlık sadece çok soyut bir yönden düşünülmüştü ve herhangi bir açık fiziksel yorumdan yoksundu. Bulguları New Journal of Physics dergisinde yayımlanan makale ile paylaşılan bu son çalışma sayesinde, Araújo ve ekibi tarafından nedensel ayrılamazlık sergileyen fiziksel bir kuantum süreç örneği tanımlanmış oldu.

“Görelilik kuramı zaten mutlak, küresel bir zaman olması fikrini çoktan sarsmış durumdaydı. Zamanın akışını ve zamansal ilişkileri herkes aynı şekilde deneyimlemiyor. Farklı referans çerçevelerinde bulunan farklı gözlemciler, hangi olayın önce hangisinin sonra olduğu konusunda anlaşmazlığa düşüyorlar örneğin,” diyor Fransa Grenoble Alpes Üniversitesi’nden Cyril Branciard.

Kuantum Düğme

Fizikçilerin incelediği ve yakın zamanda kuantum bilgisayarların verimini arttırabilecek bir yöntem olarak önerilen nedensel ayrılamazlık sergileyen kuantum sürece “kuantum düğme” adı veriliyor. Yeni çalışmada fizikçiler, nedensel ayrılamazlık için bir test ortaya koyuyor. Bu testin kuantum dolaşıklık testlerine benzediğini belirtiyorlar. Her iki sınama yönteminde de, eğer tüm işlemler “klasik” yolla (yani nedensel ayrılamazlık sınamasında sadece nedensel ayrılabilir kaynaklar ve dolaşıklık sınamasında da dolaşık olmayan durumlar kullanılarak) gerçekleştirilirse belli bir aralıkta değerler üretiliyor, öyle olmazsa başka aralıkta değerler üretiliyor.

Ekip geliştirdikleri yeni test sayesinde sadece kuantum düğmenin nedensel ayrılamazlığını algılamakla kalmayıp, herhangi bir nedensel ayrılamaz süreci de algılayabileceklerini gösterdi. Dolayısıyla gelecekte deneysel olarak kurulabilecek başka sistemlerdeki nedensel ayrılamazlığın saptanmasında da bu sınama yöntemi işe yarayacak.

Araştırmacıların yaptığı açıklamaya göre, kuantum düğmenin nedensel ayrılamaz olması (işlemlerin belirli bir sıra izlememesi), her türlü nedensel eşitsizliği (geçmişteki bir olayın nedeninin, gelecekteki bir olay olamaması) ihlal ettiği anlamına gelmiyor. Çünkü kuantum düğmede belirli bir geçmiş ve gelecek kavramı yok; üstelik de bir olayın diğerinden önce mi sonra mı olduğu belirli değil. Kuantum düğme herhangi bir nedensel eşitsizliği ihlal etmiyor olsa da, herhangi bir fiziksel sürecin deneysel olarak bunu yapıp yapamayacağı sorusu yanıt bekliyor.

Nedensel Ayrılamaz Hesaplama

Daha önce yapılan araştırmalar kuantum düğmenin, standart nedensel ayrılabilir protokollere kıyasla, hesaplama açısından avantajları olduğunu göstermişti. Bu da nedensel ayrılamazlığın kuantum bilgisayarlarda uygulama alanı bulabileceğine işaret ediyor.

“Kuantum bilgisayarlar (veya kuantum bilgi işleme görevi yerine getiren herhangi bir cihaz) üzerinde yapılan araştırmalarda tipik olarak yaptıkları işlemlerin belirli bir sırada gerçekleşmekte olduğu varsayılmıştır. Bu örneğin kuantum hesaplamanın standart devre modelinin temel varsayımıdır. O yüzden kuantum bilgisayarların gücü hakkında (çözebilecekleri problem türleri, verimleri ve çalıştırabilecekleri algoritmaların karmaşıklığı gibi konularda) elde edilen sonuçların neredeyse hepsi, sadece nedensel ayrılabilir kaynaklar için geçerli olabilir. Kuantum kuramının nedensel ayrılamaz kaynaklara (örneğin kuantum düğme gibi) izin veriyor olduğu gerçeği yeni olasılıklara kapı aralıyor. Bazı görevlerin yerine getirilmesinde nedensel ayrılamaz kaynakların, nedensel ayrılabilir olanlardan daha üstün performans göstermesini beklemek doğal,” diyor Branciard.

Soruyu yanıtlamak için nedensel ayrılabilir bir sürecin hem “önce A sonra B” hem de “önce B sonra A” sıralamasında süreci gerçekleştirip, sonuçları karşılaştırması gerekir. Öte yandan kuantum düğme gibi nedensel ayrılamaz bir süreç her iki sıralama şeklini de aynı anda gerçekleştirerek, problemi tek adımda çözer. Ayrılamaz süreçler daha verimli olmakla kalmayıp, bazı durumlarda problemi çözebilmek için zorunlu duruma da gelebilir. Örneğin kuantum işlemleri gerçekleştirmede kullanılan “kara kutular” tek kullanımlık (bir kullanımdan sonra yok olan türde) olabilir ve işlemin tek bir gerçekleştirilme şansı olabilir.

Kaynak: Phys.org, “Quantum process demonstrates superposition of ordered events”

Referans: Mateus Araújo, et al. “Witnessing causal nonseparability.” New Journal of Physics. DOI: 10.1088/1367-2630/17/10/102001