"Kuantum dolaşıklığı” (*) olgusu daha önce çok sayıda deneyle kanıtlanmıştı. Bu süreçte iki dolaşık ışık parçacığı, birbirinden çok uzak olsalar da, birbirine bağlı kalıyorlar. Bir parçacığa ne yapılırsa, aynı anda diğerini de etkilemekte (iki parçacık ikizler gibi davranmakta).
Bu iki ışık parçacığının, birbiriyle etkileşimli davranışı çok daha kısa mesafelerde görülmüş ve ölçülmüştü. Son yıllardaki deneylerde bu etkileşim mesafeleri git gide büyüdü. Örneğin Avusturyalı araştırmacı Anton Zeilinger ve ekibi, birkaç yıl önce parçacıkların çok uzak mesafelerde bile birbirine bağlı kaldıkları ve Albert Einstein’ın “hayali uzaktan etki” diye tanımladığı bu kuantum dolaşıklığını 144 kilometreye çıkarmaya başarmıştı (Quantum teleportation over 143 kilometres using active feed-forward, Nature 5.9.2012).
Çin’in başarısı
Çin 16 Ağustos 2016’da yörüngeye bir “Kuantum uydusu” göndermişti. Amaç, dolaşıklığın mesafesini artırarak ölçmekti. Çinli bilimciler, lazer ile dolaşık fotonları, aralarında 1203 kilometrelik mesafe bulunan iki alıcı istasyona gönderdi. (Satellite-based entlanglement distribution over 1200 kilometers, Science 16.6.2017) Ve ışık parçacıkları arasında benzer etki saptadılar. Üstelik de fotonlar 500 kilometre yükseklikten dünyaya gönderilmişler ve uyduların pozisyonlarına göre yer istasyonlarına dek 2000 kilometreyi geride bırakmışlardı.
Kuantum internetinin temeli
Tüm bunlar salt meraklı bir deneyin sonucu değil, bunun arkasında somut çıkarlar da yatıyor.
Dolaşık bir fotonun her durum değişikliği diğerini de etkilediği için bilgiler (parçacıkların polarizasyonu) ışık hızıyla büyük mesafelere aktarılabiliyor. Bu da yöntemi “kırılması imkansız” hale getirerek olası bir kuantum internetinin temelini olası kılıyor.
Gelecekte kuantum bilgisayarları da bu şekilde etkileşebilirler. Ama bunun için ilk önce kuantum iletişiminin küreselleşmesi gerekiyor. Dünya atmosferindeki bozucu etkiler, uzak mesafelerde, dolaşık durumda sadece çok az fotonun hedefe ulaşmasına izin veriyorlar. Benzer sorunlar cam elyaf kablolarda yaşanıyor. Bu yüzden gelecekte uydulara geçilmek isteniyor.
Nitekim bir kuantum uydusunda üretilen dolaşık fotonlar, atmosferin ötesindeki yollarının önemli bir kısmını bozulmadan tamamlıyorlar. Foton –ışık- çiftleri böylece birbirine 144 kilometreden daha büyük bir mesafede yer alan yer istasyonlarına gönderildiklerinde, dolaşıklıklarını koruyorlar. İşte Çinli bilim insanları bunu ilk kez başardılar. Jian-Wei Pan ve ekibinin, kuantum iletişimindeki bu olağanüstü başarıları Quess projesi (China’s Quantum Experiments at Space Scale/ Uzay Ölçeklerinde Kuantum Deneyleri) çerçevesinde, Çinli filozof Micius’un adını alan uyduyla gerçekleştirilmiştir.
Araştırmacılar özellikle de uydunun yüksek hızı gibi birkaç teknik zorlukları aşmak zorundaydılar. Bu yüzden de Çinli bilim insanlarının birkaç ay içinde yörüngeden uzak mesafeli başarılı bir dolaşıklık gerçekleştirmeleri, gerçek bir teknolojik atılım olarak kabul edilmektedir.
Nasıl oldu?
Uydunun üzerinde kuantum deneyinin verici birimi bulunuyor. Bu verici, ışını bir ışın ileticisinden ve özel bir kristalden aktaran bir lazerden oluşmakta. Bu şekilde saniyede 5,9 milyon çift ve 810 nanometre dalga boyunda dolaşık fotonlar üretiliyor. Her çift fotondan biri polarizasyon durumuyla bağlantılıdır. Uyduya yerleştirilen teleskop çanaklarıyla, dolaşık lazer fotonlarının ışınları yer istasyonuna gönderiliyor. Deneyler sırasında Çin’de birbirinden 1.203 kilometre mesafede yer alan üç alıcı istasyon hazırda bulunuyordu. (China’s quantum satellite achieves ‘spooky action’ at record distance, Science 15.6.2017).
Jian-Wei Pan burada gelen fotonların gerçekten de hâlâ dolaşık olup olmadığını yani bilgi aktarıp, aktaramadıklarını kontrol etmiş. Gerçekten de uydudan çıkan fotonların dolaşıklıkları korunarak yakalanabilmiş. Üstelik de fotonlar 500 kilometre yükseklikten dünyaya gönderilmelerine ve uyduların pozisyonlarına göre yer istasyonlarına dek 2000 kilometreyi geride bırakmalarına rağmen aktarım, bilgilerin okunmasına yetecek kadar güçlüydü. Tabii bu sonucu elde etmek pek kolay olmadı.
Uydunun pozisyonu yerdeki istasyonların pozisyonundan kaydığı için, verici ve alıcı birimlerinin bu hareketi mümkün olduğu kadar doğru bir şekilde takip edip, dengelemeleri gerekiyordu. Ayrıca kozmik ışının, uydunun üzerindeki hassas cihazlara zarar vermemesini sağlamak gibi bir zorluğun da aşılması lazımdı.
İşte bu başarılı aktarım sayesinde ilk kez uydu destekli bir kuantum iletişimi mümkün oldu ki bu çok önemli bir teknolojik atılımdır. Pan geliştirdikleri uydu destekli teknolojinin, hem kuantum iletişiminin pratikte kullanımını, hem de büyük mesafeli temel kuantum optik deneyleri için yeni yollar açtığını söylüyor. Çünkü bu tür yörüngesel-gezegensel kuantum ağıyla gelecekte örneğin birbirine belli bir uzaklıkta bulunan yer istasyonları arasında kuantum anahtarı değiş tokuş edilerek, şifrelenmiş bir iletişim sağlanabilecek.
Nilgün Özbaşaran Dede
(*) Kuantum Dolaşıklık, iki parçacık gibi, iki sistem etkileştiğinde oluşur. İki sistem, birbirinden uzak mesafelerde ayrıldığında dahi , özellikleri arasında iletişim kurarlar. Sistemlerden birini ölçen bir gözlemci buna karşılık gelen çok uzaktaki diğer sistemin ölçümlerini yapan ikinci gözlemcinin ölçümlerini tahmin edebilir. Dolaşıklığı oluşturan etkileşime bir örnek: bir parçacık başka iki parçacığa ışıdığı zaman oluşur. Momentumun korunumundan dolayı, ışıma ürünleri momentumları birbiri ile ilişkili olacak bir durumda olmak zorundadırlar. Eğer bir tanesin momentumunu ölçersek diğerininkini de biliriz.
Albert Einstein bu tahminin olasılığını “uzak mesafedeki tuhaf etki” diyerek önemsiz görmeye çalışsa da, daha sonra Erwin Schrödinger ve John Bell bunun Kuantum Mekaniğinin bir temel unsuru olduğunu tanımladılar. Her ne kadar dolaşıklık iletişimin ışık hızından daha hızlı olmasına izin vermese de, bir cismin mükemmel kuantum kopyasını ışınlamak için kullanılabilir. Kuantum dolaşıklık, yeni yapılan bir araştırmaya göre Kuantum yerçekiminde yer alan uzay-zamanın farklı bölgelerinin birbirine bağlanmasından sorumlu olabilir. Farklı nesneler arasındaki dolaşıklık uzay-zamanda birbirleri arasında iletişim kurmasına neden olan bir solucan deliği dahi oluşturabilir. (http://fizikakademisi.com/2016/01/31/kuantum-dolasiklik)
Bu yazı HBT'nin 65. sayısında yayınlanmıştır.
