Bugün size tam yüz yıl önce başlayan çok ilginç bir olayın en son bu hafta Nobel ödülüne nasıl dönüştüğünü anlatacağım. 7 Ekim 2025’te Stokholm’de bu yılın Fizik Nobel Ödülünün, üç bilim insanına, John Clarke, Michel Devoret ve John Martinis’e verildiği açıklandı. 1.2 milyon dolar tutarındaki ödülü aralarında paylaşacaklar.
Peki neden bilim dünyasının bu en prestijli ödüllerinden birini almaya hak kazandılar? Çünkü bu üçlü 1980’lerin ortasında o zamanlar için imkânsız görünen bir şeyi başardı. Hani “Kuantum” deyince aklımıza gelen o tuhaf, o “sadece atom ölçeğinde geçerli” denen ilginç özellikler var ya, hani sezgilerimize aykırı filan diyoruz ama yine de oluyor. İşte kuantum dünyasının o ilginç özelliklerini elimizde tutabileceğimiz kadar büyük bir sistemde gösterdiler. Süperiletken bir elektrik devresinde, milyarlarca elektron sanki tek bir parçaymış gibi davrandı ve kuantum tünellemesi yaptı. Bu kuantum tünellemesi denen şey acaip ilginç bir konu ve ona geleceğiz az sonra. Şimdilik duvara çarpan bir topun, duvarda hiçbir delik açmadan öbür tarafında belirdiğini hayal etmekle yetinin. Dedim ya sezgilerimize aykırı diye.
Fizik ödülünün bu bilim insanlarına 2025’te verilmesi de manidar çünkü 2025 aynı zamanda kuantum mekaniğinin yüzüncü yılı. Heisenberg’in 1925’teki formülasyonundan bu yana geçen bir asırda, kuantum fiziği teorik ortamlardan çıkmaya başladı arkadaşlar. Onu gündelik hayatımızda hiç fark etmeden kullanıyoruz. Cep telefonlarımızdan fiberoptik kablolara kadar pek çok yerde. Kuantum tünellemesi sayesinde bilgilerimizi bu küçük kartlarda saklayabiliyoruz. İşte bu üç bilim insanının katkısı o yüzden çok önemli: onlar kuantum dünyasının kapısını, gözle görülebilir bir ölçekte araladılar ve bugünkü kuantum bilgisayar yarışının temelini attılar. Dolayısıyla yarının en önemli buluşları onların bu keşfi sayesinde gerçekleşecek.
Ben o tünelde takıldım. Nedir bu “kuantum tünelleme” dediğimiz şey? Şöyle düşünün: elinize bir top alıp duvara atıyorsunuz. Ne olur? Top geri seker, değil mi? Asla ama asla o top, duvarı delmeden, duvarın öbür tarafında birdenbire belirmez. İnsanlar da öyledir. Trene binmek için 9 ve 10 numaralı peronların arasında bulunan duvara ne kadar hızlı koşarsanız koşun oradan geçemezsiniz. Büyücü değilseniz!
Ama atomların dünyasında, kuantum mekaniğinin hüküm sürdüğü o minicik ölçekte, parçacıklar tam da bunu yapabiliyor. Bir elektron ya da başka bir parçacık, teoride aşamayacağı bir bariyerin karşı tarafında aniden ortaya çıkabiliyor. İşte bilim insanları buna “tünelleme” diyor. Kuantum tünelleme.
Peki bu nasıl oluyor? Şimdi biz bu topa bakınca ne görüyoruz? Bir tane top. Tanecik gibi davranıyor. Ama kuantum dünyasındaki parçacıklardan biri olsaydı aynı zamanda bir dalga gibi de davranacaktı. Biz bir elektronu parça olarak, böyle bir top gibi düşünsek de, o aslında bir olasılık dalgası gibi davranır. Yeri uzayda kesin bir noktaya indirgenemez, yalnızca ölçüldüğünde bir yerde bulunma ihtimalini söyleriz. Elektronun dalga fonksiyonu, uzayın her noktasında, tüm evrende, hatta sonsuza kadar uzanır. Yani bir elektronun bir engelin ötesinde bulunma ihtimali her zaman sıfırdan büyüktür.
İşte onun bu davranışını, ancak son 100 yıldır açıklayabiliyoruz, Heisenberg’in belirsizlik ilkesiyle. Bir parçacığın yerindeki belirsizlik ile momentumundaki belirsizliğin çarpımı, belirli bir sayıdan büyük olmak zorunda. O yüzden engelin bu tarafında olma olasılığı da var.
Kuantum mekaniği işleri karıştırmadan önce elimizde sadece klasik fizik vardı. Gözünü sevdiğim Newton zamanında işler ne kadar basitti. Klasik fizik nasıl işliyor? Eğer bir topun zaman 1’deki konumunu ve hızını biliyorsanız, zaman 2’deki konumunu ve hızını kolayca tahmin edebilirsiniz. Bu masada ilerleyen bir topun daha sonra nerede olacağını tahmin etmek kolaydır. Klasik mekanik büyük nesneler için gerçekten iyi çalışır ama çok küçük şeylerle uğraşmaya başlayınca o kadar da iyi işlemiyor.
O yüzden bu topu bir elektron kadar küçülttüğümüzde artık gelecekteki bir zamanda topun tam olarak nerede olacağını tahmin edemeyiz, onun yerine ölçtüğümüzde en muhtemel nerede olacağına dair bir olasılık eğrisi vermek zorundayız. İşte bütün bu tuhaflıklar oradan çıkıyor. Ve en tuhafı da kuantum tünelleme denen şey.
Klasik mekanikte ne olursa olsun bu top bariyerin öbür tarafına geçemez. Bunu yapmanın tek yolu etrafından dolanmak ya da onu delip bir tünelin içinden geçirmek olurdu.
Yine bunun şimdi bir elektron küçüklüğünde olduğunu varsayalım. Kuantum ölçekte bile bir şey oldukça kalınsa, elektronu bariyerin öbür tarafında ölçme olasılığınız sıfıra çok yakın olur. Ama eğer bariyer çok ince hale gelirse, elektronu bariyeri hiç kırmadan öbür tarafında bulma olasılığınız sıfırdan uzaklaşmaya başlar. Yani artar. Yani kuantum ölçekte bazen elektronlar bir şeylerin içinden geçebilir. Mesela mangaların içinden!
Ve bunu biz gündelik hayatımızda da görebiliriz. Görmek için fotonlara ihtiyacımız var değil mi? Şimdi fotonların önüne bir bariyer koymaya çalışalım. Bu bariyer bir ayna olabilir. Yansıtıcı bir yüzey. Ama ben bu bardağı kullanarak göstermek istiyorum çünkü her gün sofrada kullandığımız bir şey. Ayna kullanmak yerine su ve hava arasındaki sınırı kullanacağız. Çünkü o da su ve havanın kırılma indislerindeki farklılık nedeniyle tam bir yansıtıcı ayna görevi görebilir.
Belirli bir kritik açıyı geçtiğinizde ve sudan ışık yaydığınızda, ışık yüzeyden yansıyıp suya geri döner. Buna tam iç yansıma deniyor. Fiber optik kablolar böyle çalışıyor. Gördüğünüz gibi lazer suyla birlikte kalıyor. İşte bilgiyi de fiberoptik kablolar içinde böyle aktarıyoruz.
Aynı şeyi bir bardak suda da görebiliriz. Bardağı yana tuttuğumda parmaklarımı bardağın öbür tarafında kolayca görebiliyoruz ama bardağı dik tuttuğumda aniden bardağın yan tarafı ayna gibi oluyor, dışarıdan hiçbir şey göremiyoruz. Yani buradaki su bardağı sınırı bir bariyer gibi davranıyor, hiçbir ışığın geçmesine izin vermiyor. Işık parmağımdan bardağın dışına, kameraya kadar geçemiyor. Elimi burada tamamen engelliyor.
Parmağımdan gelen fotonlar parmağım ve kamera arasında hava bariyeri olduğu için kameraya ulaşamıyor ve dolayısıyla o fotonları göremiyorsunuz.
Peki ya bariyeri inceltirsek? O zaman fotonlar o hava bariyer tabakasını kuantum olarak tünelleyebilir ve kameraya ulaşabilir. Şimdi gerçekten sert basıp parmağımla cam arasındaki hava tabakasını mümkün olduğunca küçük hale getirmeye çalıştığımda bakın ne oluyor? Parmağımı görmeye başlıyorsunuz değil mi?
Normal şekilde bardağa vurduğumda parmağımı göremezsiniz ama gerçekten sert bastırdığımda parmak izlerimi camda görebilirsiniz. İşte bu olay kuantum tünellemenin harika bir benzeri. Yani bir analoji yapmış olduk. FTIR (evanesan dalga kuplajı) denen optik etki; kuantum tünellemenin matematiksel ikizi gibi davranıyor.
Biz burada fotonlarla bir deney yapmış olduk ama aslında bunu elektronlarla da yapabilirsiniz. Tabi bunu deneylerde göstermek çok daha zor çünkü elektronların fotonlardan çok daha küçük dalga boyları var ve o yüzden de elektronların nasıl tünelleyebildiğini göstermek için son derece ince bir şeye ihtiyacınız var.
İşte o yüzden teknoloji dünyasında bazı şeylerin sınırından söz ediyoruz. Şu an transistörleri yaptığımız ölçekte, iletkenler birbirine çok yaklaşıyor. Araya konan iletken olmayan malzeme ne kadar iyi dirençli olursa olsun, bazı elektronlar yine de tünelleyebiliyor. Elektronik cihazların gelişiminin önündeki en büyük engellerden biri bu.
1928’de fizikçi George Gamow, radyoaktif alfa bozunmasının ancak tünelleme ile açıklanabileceğini anladı. Atom çekirdeğindeki parçacıklar, çekirdeği saran enerji bariyerini tünelleyerek dışarı kaçıyor ve element başka bir elemente dönüşüyor. Ama hep mikroskopik ölçekteydi bu. Birkaç atom, birkaç parçacık. Hiç kimse, milyarlarca parçacığın aynı anda, hep birlikte tünelleme yapabileceğini düşünmüyordu. Ta ki bu yıl Nobel ödülü alan, Clarke, Devoret ve Martinis 1984’te Berkeley’de bir deneye girişene kadar. O zamana dek kuantum tünelleme, sadece atom ölçeğindeydi; bu deneyden sonraysa makroskopik bir dünyaya geçiş yaptı.
1984 ve 1985 yıllarında, California Üniversitesi Berkeley’de bir laboratuvarda üç bilim insanı çok hassas bir deney düzeneği kurdu. John Clarke zaten deneyimli bir profesördü; yanına Fransa’dan gelen genç bir postdoc olan Michel Devoret ve doktora öğrencisi John Martinis de katıldı. Yani öğretmen ve öğrencileri birlikte yaptı bu deneyi. Bu üçlü, süperiletken denen özel malzemelerle bir elektrik devresi inşa etti. Süperiletkenler çok soğutulduğunda elektrik direncini tamamen kaybediyor, akım hiç kayıp vermeden akıyor. Ama işin püf noktası şu: iki süperiletken parçayı ince bir yalıtkan katmanla ayırdılar. Buna “Josephson kavşağı” deniyor. Bu düzenekte, elektronlar çift oluşturuyor, Cooper çiftleri adı veriliyor onlara. Ve bu milyarlarca Cooper çifti sanki tek bir dev parçaymış gibi davranmaya başlıyor. Hepsi aynı kuantum dalga fonksiyonuyla tarif ediliyor. Ekip, çipe çok zayıf bir akım verdi ve voltajı ölçtü. Başta voltaj sıfırdı; sistem bir enerji çukuruna hapsolmuştu. Sonra, birdenbire voltaj belirdi. Sistem tünelleme yaparak o çukurdan kaçmıştı. İşte bu, makroskopik kuantum tünellemesiydi. Yani milyarlarca parçacık, hep birlikte, kuantum sıçraması yapıyordu.
Ama bu deneyin arkasında, yani bu pratik uygulamanın arkasında, daha önceki iki büyük teorik atılım vardı. Birincisi: 1962 yılında, Cambridge Üniversitesi’nde 22 yaşında bir doktora öğrencisi olan Brian Josephson, süperiletkenlerde akımın ince bir yalıtkan bariyerden tünelleyebileceğini matematiksel olarak öngördü. Josephson’ın hesapları başta şüpheyle karşılandı, ama deneyler onu doğruladı ve 1973’te Fizik Nobel Ödülü’nü kazandı. İşte Clarke’ın ekibinin kullandığı “Josephson kavşağı” buradan geliyor. İkinci teorik deha ise Anthony Leggett’ten geldi ki kendisi de 2003’te süperakışkanlar üzerine yaptığı çalışmalarla Nobel aldı. Leggett 1970’lerin sonunda, Josephson kavşaklarında makroskopik kuantum tünellemenin gözlenebileceğini teorik olarak hesapladı ve bunu yayımladı. Yani iki Nobel ödüllü bilim insanının teorik temelleri, üçüncü bir Nobel’e giden yolu açmış oldu. Bilim böyle işliyor. Bir neslin teorisi, bir sonraki neslin deneyine dönüşüyor. Ne demişti Isaac Newton: “Daha uzağı görebildiysem, bu devlerin omuzlarında durduğum içindir.”
Bu sözü bir yerlere kaydedeyim. Mesela buna. Bu küçük plastik parça (SD/USB/SSD) aslında kuantum fiziğiyle çalışır arkadaşlar: İçindeki “floating-gate” tranzistörlerde elektronlar, 1960’lardan beri bilinen Fowler–Nordheim tünellemesi ile ince bir yalıtkan bariyeri aşarak kapıya hapsedilir; veriyi böyle yazıp sileriz.
İşte bu yıl Nobel alan bilim insanlarının 1980’lerde gösterdiği şey de buydu: süperiletken bir devrede makroskopik kuantum davranış. Josephson kavşağında milyarlarca Cooper çifti tek bir kuantum değişken gibi hareket ediyor ve sistem iki enerji seviyesiyle ilkel bir qubit gibi davranıyor.
Bugün bu fikirler, dev bir kuantum yarışına dönüşmüş durumda: IBM 2023’te 1121 qubit Condor’u tanıttı; Google 2024’te Willow adlı 105 qubit’lik çipiyle belirli bir hesabı dakikalara indirip klasik süper bilgisayarlar için “akıl almaz” süreler iddia etti; Çin 2025’te Zuchongzhi 3.0 ile ~105 qubit bandında.
Bunlar “Ne işimize yarıyor?” derseniz: Josephson kavşakları sayesinde SQUID’ler (dünyanın en hassas manyetik alan ölçerleri) jeolojiden tıbba kadar kullanılıyor. Clarke, ADMX gibi deneylerde kuantum yükselteçlerine de öncülük etti. Kuantum şifreleme, ilaç keşfi ve malzeme simülasyonu gibi alanlarda da farklı mimarilerle (superconducting, ion-trap, photonic) denemeler hızlanıyor.
Ama büyük “ama” şu: Hâlâ hata oranları yüksek. Uzmanların çoğu kuantum bilgisayarların gerçekten işe yaraması için en az 5–10 yılımız daha var diyor. Yani şimdilik bunlar birer “laboratuvar oyuncağı” ama hızla büyüyen ve geleceği şekillendirme potansiyeli çok yüksek bir oyuncak.
Gördüğünüz gibi, Clarke, Devoret ve Martinis’in 1980’lerdeki o çığır açıcı deneyi, kuantum tuhaflıklarını laboratuvarımızın ortasına, gözle görülür ölçeğe taşıdı. Onlar “devlerin omuzlarında” yükselerek -Josephson ve Leggett’in teorik temelleri üzerine- bugünkü kuantum devriminin kapısını araladılar. Peki bu kapı bizi nereye götürüyor? Ve bu tünelleme dediğimiz mucize, aslında evrende ne kadar derinlere uzanıyor?
Cevap, belki de en başta, her şeyin başlangıcında yatıyor.
Şunu düşünün: Tünelleme olmasaydı, güneşimiz ışıldayamazdı. Yıldızların kalbinde, hidrojen çekirdekleri birleşip helyuma dönüşerek enerji üretir. Ama bu çekirdekler artı yüklü oldukları için birbirlerini şiddetle iterler. Klasik fizikle baktığımızda, asla birleşememeleri gerekir. İşte tam burada kuantum tünelleme devreye girer; çekirdekler, aşamayacakları gibi görünen o dev enerji duvarının içinden bir tünel açarak geçer ve birleşirler. Bu füzyon, yıldızları yakan, bize hayat veren ısı ve ışığı ortaya çıkaran şeydir.
Daha da büyük yıldızlarda, bu süreç karbon, oksijen ve yaşam için gerekli diğer tüm ağır elementleri oluşturur. Yani, parmağınızdaki bir yüzükten, içinizdeki her bir atoma kadar her şey, bir zamanlar kuantum tünelleme sayesinde yanmış olan kadim yıldızların bir ürünü.
Peki ya en büyük başlangıç? Evrenin ta kendisi…
En çok kabul gören teoriye göre evrenimiz, inanılmaz derecede yoğun ve küçük bir noktadan, yani bir “hiçlik”ten doğdu. Peki çekim gibi kendini yok etmeye meyilli muazzam kuvvetleri aşıp genişlemeye başlamak için gereken enerjiyi nereden buldu? Fizikçi Alexander Vilenkin’in öne sürdüğü gibi, cevap yine aynı olabilir: Kuantum Tünelleme.
Evren, hiçlikten, tıpkı bir elektronun aşamayacağı bir bariyeri aştığı gibi, var oluşun enerji bariyerini tünelledi. Büyük Patlama’nın kendisi, nihai bir kuantum tünelleme olayı olabilir.
Demek ki, bu garip kuantum özelliği sadece Nobel ödülleri getiren deneylerin, kuantum bilgisayarların veya cep telefonlarımızın değil; yıldızların, gezegenlerin, hayatın ve belki de var oluşumuzun ta kendisinin temelinde yatıyor.
Bazı şeyler sezgilerimize aykırı. Ama unutmayın biz o sezgileri bu boyutlarda geliştirdik. Hayal gücümüzü daha farklı boyutlarda da çalıştırabilirsek bu topu daha iyi anlayacağız. Çünkü bu tane, bu parçacık, şu anda bir yıldızın çekirdeğinde parlayan bir protonken, yarının kuantum bilgisayarında bir qubit haline gelebilir, ve belki de hepsinden de önce var oluşumuzun ta kendisini başlatan o ilk kıvılcım olabilir.