Günlük yaşamda, nesneleri ya “ayrı” ya da “bağlantılı” olarak düşünürüz. Aralarında bir kilometre bulunan iki top ayrıdır. Bir ip parçasıyla birleştirilmiş iki top ise birbirine bağlıdır. Ancak kimi durumlarda iki nesne hem ayrı hem de bağlantılı olabilir. Bu da bizi kuantum dolanıklık fikrine götürür.
İki nesne “dolanık” olduğunda, aralarında fiziksel bir bağlantı yoktur – ancak ayrı da değillerdir. Bu nesnelerden biri için bir ölçüm yaparsanız, ikinci nesnenin ne yaptığını, ona bakmadan önce bile bilme şansınız olur. İki nesne, onları birbirine bağlayan hiçbir şey olmamasına rağmen tek bir sistem oluşturur.
Bu fikir, Liu Cixin’in bilimkurgu romanlarına dayanan dizisi 3 Cisim Problemi hayranlarına tanıdık gelecektir. Dizide, uzaylılar bizimle iletişim kurmak için Dünya’ya minik bir süper bilgisayar göndermiştir. Bu minik nesne, uzaylıların ana gezegenindeki bir ikiziyle iç içe geçtiği için, uzaylılar arada dört ışık yılı olmasına rağmen, onu kontrol edebilmektedir.
Hikayenin o kısmen kurgusal olsa da kuantum dolanıklık gerçek bir şeydir ve deneylerle de doğrulanmıştır. Ancak o kadar mantıksızdır ki, 1970’lere kadar bile araştırmacılar kuantum dolanıklığının gerçek bir olgu olup olmadığı konusunda bölünmüş durumdaydı. Ve haklı sebepleri vardı. Sonucunda Einstein bile bu durumu “uzaktan ürkütücü eylem” olarak isimlendirmişti.
Bu gizemi nihayet çözmek için yeni deneysel teknolojilerin ve cesur araştırmacıların geliştirilmesi gerekti. 2022 Nobel Fizik Ödülü, tüm doğa olaylarının en gizemlilerinden biri olan kuantum dolanıklığını anlamada çığır açan katkılarda bulunan üç bilim insanına verildi.
Kuantum Dolanıklık Tam Olarak Nedir?
Kuantum dolanıklığının arka planındaki fikri anlamak için, önce süperpozisyon fikrini anlamak gerekir. Süperpozisyon, parçacıkların aynı anda birden fazla durumda var olduğu fikridir. Bir ölçüm yapıldığında, parçacık süperpozisyondaki durumlardan birini seçmiş gibi olur.
Bir göletin yüzeyine aynı anda iki farklı noktadan dokunduğunuzu hayal edin. Dalgalar her noktadan dışarı doğru yayılacak ve sonunda daha karmaşık bir desen oluşturmak için üst üste gelecektir. Benzer şekilde, elektronlar ve fotonlar, birleşebilen ve üst üste gelme adı verilen hale gelebilen dalga benzeri özelliklere sahiptir.
Ancak bir göletin yüzeyindeki dalgalar suyun hareketiyle oluşurken, kuantum dalgaları matematikseldir. Bir nesnenin belirli bir durumda var olma veya belirli bir özelliğe sahip olma olasılıklarını tanımlayan denklemler olarak ifade edilirler.
Matematiksel terimlerle bu üst üste binme, birden fazla çözümü olan bir denklem olarak düşünülebilir. x 2 = 4’ü çözdüğümüzde, x ya 2 ya da -2 olabilir. Her iki cevap da doğrudur. Üst üste binen dalga fonksiyonlarının çözümü elbette daha karmaşık olacaktır, ancak arka plandaki mantık aynıdır.
Kuantum Dolanıklığın Varlığı Nasıl Kanıtlandı?
Üst üste binmenin varlığını kesin olarak kanıtlayan birçok deney yürütülmüştür. Etrafımızda gördüğümüz ışığın çoğu, güneşten ve diğer kaynaklardan gelen birçok farklı dalganın birleşimidir. Bu dalgaların tepeleri ve vadileri aynı anda farklı yönlerde döner. Başka bir deyişle, ışık bu farklı polarize durumların bir üst üste binmesindedir.
1935 yılında Albert Einstein, Boris Podolsky ve Nathan Rosen, evrenin temel yasalarından birine meydan okuyan, kuantum dolanıklığının görünürdeki saçmalığını göstermek için tasarlanmış bir düşünce deneyini anlatan bir makale yayınladılar.
Günümüzde bu deney üç bilim insanının soyadlarının baş harflerinden adını alıyor ve EPR Paradoksu olarak biliniyor. Bunun bir paradoks olarak isimlendirilmesinin nedeni aslında deneyin kuantum teorisinin eksik olduğunun kanıtı için yapılmasıydı.
Ancak deneyler, dolanık parçacıkların mesafeden bağımsız olarak birbirlerini etkilediğini defalarca doğrulayacaktı. Devamında, ölçümden önce bir parçacığın durumunu belirleyen, gizli değişkenler olarak adlandırılan bilinmeyen bir özellik olduğunu teorileştirdiler. Ancak o zamanlar fizikçiler, daha fazlasını test edecek teknolojiye veya net bir ölçüm tanımına sahip değildi.
Bir cevap için 1960’ların gelmesi gerekiyordu. Nobel Ödülü’nü almaya ömrü yetmeyen parlak bir İrlandalı fizikçi olan John Bell, gizli değişkenler kavramının mantıklı olup olmadığını test etmek için bir deney tasarladı. Kuantum dolanıklığının parçacıkların özelliklerini nasıl etkilediğini gösteren bir matematiksel denklem ortaya attı. Bu sayede de kuantum dünyasını gerçek dünya uygulamalarına açtı.
2022 Nobel ödüllülerinin deneyleri, özellikle Alain Aspect’in deneyleri, Bell eşitsizliğinin ilk testleriydi. Sonuçlar, dolanık parçacıkların durumlarını önceden belirleyecek gizemli bir özellik olan gizli değişkenlerin varlığını kesin olarak dışladı
.
Kuantum Dolanıklık Ne İşe Yarar?
Akla gelen ilk uygulama, dolanık foton kaynaklarının kuantum kriptografi sistemlerinde kullanılması olacaktır. Bu senaryoda, bir gönderici ve bir alıcı, mesajlarını kodlamak için kullanabilecekleri, yalnızca kendileri tarafından bilinen özel anahtarlar oluşturmak için dolanık parçacıkları kullanır.
Birisi özel anahtarları okumaya çalışırsa, dolanıklık bozulur. Sonucunda dolanık bir parçacığın ölçülmesi durumunu değiştirir. Bu, gönderici ve alıcının iletişimlerinin tehlikeye girdiğini bileceği anlamına gelir. Dolanıklığın başka bir uygulaması, çok sayıda parçacığın birbirine dolandığı ve böylece bazı büyük, karmaşık sorunları çözmek için birlikte çalışmasına izin veren kuantum hesaplamadır.
Günümüzde fizikçiler kuantum dolanıklığını araştırmaya ve olası pratik uygulamaları
incelemeye devam ediyor. Kesin olan şu ki, kuantum mekaniğinin gizemli dünyası hakkında daha söylenecek çok şey var.
Kaynaklar ve ileri okumalar
- Nobel Prize awarded to quantum physicists that studied “spooky action”. Yayınlanma tarihi: 5 Ekim 2022; Kaynak site: ZME Science. Bağlantı: Nobel Prize awarded to quantum physicists that studied “spooky action
- Gillesbrassard, & Méthot, André. (2011). CAN QUANTUM-MECHANICAL DESCRIPTION OF PHYSICAL REALITY BE CONSIDERED INCOMPLETE?. International Journal of Quantum Information. 04. 10.1142/S0219749906001608.
- Aspect, A. Bell’s inequality test: more ideal than ever. Nature 398, 189–190 (1999). https://doi.org/10.1038/18296
- What is quantum entanglement? A physicist explains the science of Einstein’s ‘spooky action at a distance’. Yayınlanma tarihi: 6 Kasım 2022. Kaynak site: Conversation. Bağlantı: What is quantum entanglement? A physicist explains the science of Einstein’s ‘spooky action at a distance’
Size Bir Mesajımız Var!
Matematiksel, matematiğe karşı duyulan önyargıyı azaltmak ve ilgiyi arttırmak amacıyla kurulmuş bir platformdur. Sitemizde, öncelikli olarak matematik ile ilgili yazılar yer almaktadır. Ancak bilimin bütünsel yapısı itibari ile diğer bilim dalları ile ilgili konular da ilerleyen yıllarda sitemize dahil edilmiştir. Bu sitenin tek kazancı sizlere göstermek zorunda kaldığımız reklamlardır. Yüksek okunurluk düzeyine sahip bir web sitesi barındırmak ne yazık ki günümüzde oldukça masraflıdır. Bu konuda bizi anlayacağınızı umuyoruz. Ayrıca yazımızı paylaşarak da büyümemize destek olabilirsiniz. Matematik ile kalalım, bilim ile kalalım.
Matematiksel
