Ürpertici ve Tuhaf Kuantum Dolanıklığı

Yaşadığımız evrendeki en tuhaf fenomenlerden biri kuantum dolanıklık. O kadar garip ki Einstein bu fenomene “ürpertici” diyor. Atomun kuantum kuramını geliştiren Bohr ise onunla aynı fikirde değil. 20. Yüzyılda başlayan bu görüş ayrılığında bir taraf giderek daha haklı bir konuma geldi ve 2022 Nobel Fizik ödülü de işte bu konuda çalışmalar yapan ve kimin daha haklı olduğunu deneylerle gösteren 3 bilim insanına verildi.

Peki nedir bu kuantum dolanıklık? 

Diyelim ki bu eldivenlerden birini Kopenhag’da yaşayan Niels Bohr’a gönderdik. Diğerini de Princeton’da yaşayan Albert Einstein’a… İçinde eldiven olan paketler ikisine de aynı anda ulaştı. İkisi de dünyanın en akıllı bilim insanlarından olmasına rağmen o paketi açmadan içinde eldivenin hangi tekinin olduğunu bilemez öyle değil mi? Kendisine eldivenin sağ teki de gelmiş olabilir, sol teki de. %50 ihtimal var. Ama paketi açtığı anda hangi tekinin kendisine gönderildiğini artık %100 olarak bilir. Çünkü gözlem yaptı, paketin içindekini gördü. 

• Hımmm. Bana sağ tekini göndermişler. 

Peki o anda başka neyi bilir? Diğerine eldivenin hangi tekinin ulaştığını.

• Hımmm. O zaman Einstein’a sol tekini göndermişlerdir.

Bunu bilir çünkü rastgele iki eldiven değil, bir çift eldivenin sağ teki kendisine gönderildi. İşte doğada atom altı parçacıklar bu eldivenlerdeki gibi özel bir duruma geçebiliyor. “Kuantum dolanıklık” durumu denilen bu haldeki iki parçacık iki ayrı galakside bile olsa birinin durumuna baktığınızda diğerinin durumunu anlayabiliyorsunuz. 

Biz insanların boyutlarında konuyu daha iyi anlayabilmek için bu boks eldiveni analojisini kullandım. Ancak elbette bu yeterli değil. Çünkü bizim boyutlarımızda klasik mekaniğin yasaları geçerli. Bizim Dünya’mızda Ay etrafımızda dönüyor. Onun hangi gün nerede olacağını biliyoruz. 

Peki ya çok küçük nesnelerde? Bir iğnenin ucunda bile milyarlarca sayıda olan atomlarda da durum aynı mı? Hayır!

Şimdi en basit atomu düşünelim. Evrendeki tüm atomların %90’ını oluşturan Hidrojeni… evet bu kadar yaygın ve üstelik çok da basit bir yapısı var. 1 proton ve onun etrafında dönen 1 elektron. Tıpkı Dünya ve onun etrafında dönen Ay gibi. Ama benzerlik buraya kadar. Çünkü atomik seviyede bizim ölçeğimizdeki klasik mekaniğin yasaları geçerli değil. Orada kuantum mekaniği geçerli. Atomun içindeki parçacıkların dünyası bu. Dolayısıyla elektronun hareketi daha farklı. Protonun etrafındaki boşlukta, bazı yerlerde diğerlerinden daha fazla olma olasılığıyla birlikte aynı anda bulunuyor.

Her şey her yerde aynı anda… Film ismi gibi oldu 😉

Kuantum mekaniğinde ise buna süperpozisyon deniliyor. Schrödinger kutunun içindeki bir kediyle durumu örneklendirmişti. Bir kutunun içine bir kedi ve onu ne zaman zehirleyeceği bilinmeyen bir mekanizmayı koyup kapağını kapatırsanız o andan itibaren kutunun içindeki kedinin durumu belirsizdir. Kedi ölü de olabilir, diri de… Kuantum mekaniğinin Kopenhag yorumuna göre kedinin canlılık ve ölülük halleri eşdeğerdir. Yalnızca kutu açılıp gözlemlendiğinde bu durumlardan biri gerçek olur.

Kedisever biri olarak ben yazı-tura örneğini daha çok seviyorum. Parayı attığınızda dönmeye başlar, o anda ne yazı ne de tura durumundadır. Bir çeşit süperpozisyon. Elektronların doğal durumu da böyle. Nasıl yazı tura attığımızda ölçüm yapana kadar sonucun ne olduğunu göremiyorsak, elektronların durumunu da ölçüm yapana kadar bilemiyoruz.

Einstein işte bu durumdan bu yazı tura olayından pek hoşlanmıyordu. Bir arkadaşına yazdığı mektupta şöyle demişti: I am at all events convinced that He (God) does not play dice. Her halükarda Onun (Tanrının) zar atmadığına ikna oldum. 

Einstein’a göre iyi bir teori kesin tahminlerde bulunabilmelidir. Nasıl Newton’un teorisi Dünya’nın etrafındaki Ay’ın konumunu kesin olarak hesaplayabilmemizi sağlıyorsa, Hidrojen atomunun çekirdeğinin etrafındaki elektronun konumunu, durumunu da bilebilmeliyiz diye düşünüyordu. Bir keresinde bir arkadaşına şöyle demişti: “Bakmadığın zaman gerçekten ayın orada olmadığına inanıyor musun?” 

Kedileri en azından düşünce deneylerinde kutulara sokan Schrödinger ve onunla birlikte kuantum mekaniğinin kurucularından sayılan Niels Bohr aynı fikirde değildi. Evet kuantum dünyası çok garip ama bunu böyle kabul etmeliyiz diyorlardı.

Einstein 1935 yılının Mart ayında genç meslektaşları Podolsky ve Rosen ile birlikte bir fizik dergisinde önemli bir makale yayımladı. Başlığı şöyle: Fiziksel Gerçekliğin Kuantum-Mekanik Tanımlaması Tamamlanmış Olarak Kabul Edilebilir mi? Yoksa eksik bir şeyler mi var? Gizli bir değişken olabilir mi?

Kuantum mekaniğinin Kopenhag yorumuna Princeton’dan yükselen etkili bir eleştiriydi bu. Kopenhag cevap vermekte hiç gecikmedi. Aynı yılın Ekim ayında aynı dergide aynı başlıkla yeni bir makale yayımlandı. Bohr tarafından. Resmen kapak yapmaya çalıştı kendisi 🙂 Einstein ve arkadaşlarına kısaca EPR grubuna boşuna gizli bir değişken filan aramayın, fiziksel gerçeklik budur diyordu. 

EPR Grubu altta kalmadı. Bir düşünce deneyi öne sürdü. Bunun sadeleştirilmiş ve modernleştirilmiş versiyonu şöyle: Ortak bir kaynaktan, buna Source ya da Sun (güneş) diyelim farklı yönlere parçacık çiftleri gönderiyoruz. Her biri güneş sisteminin zıt uçlarında bulunan iki gözlemciye ulaşıyor. Alice ve Bob. A ve B demekten daha iyi. Bu kişiler kendilerine gelen parçacıkların pek çok özelliğinden sadece birini “dönüş özelliğini” ölçüyorlar. Kuantum mekaniğinde bu özelliği ölçtüğünüzde sadece iki değer alabilir. Ya artı ya da eksi. Yazı tura gibi düşünün. Ölçene kadar her ikisi de olabilir. Süperpozisyon. Ama ölçtüğünüz anda sadece biri. 

Gelelim ürpertici kısma. Alice kendisine gelen pakete şu soruyu soruyor: 

• Sen hangi yönde dönüyorsun? 

Paketi açınca cevabı öğreniyor: Artı.

Aynı soruyu aynı anda Bob da soruyor:

• Sen hangi yönde dönüyorsun? 

Paketi açıyor ve cevap: Eksi.

Birisindeki artı olunca diğerindeki eksi oluyor. Her zaman. Tıpkı bu boks eldivenlerinin birinin sağ tek, diğerinin sol tek olması gibi. Ama kuantum mekaniği bunu kabul etmiyor. Diyor ki sen bunu paketten çıkarana kadar o aynı anda hem sağ eldiven hem de sol eldivendir. Yazı tura attığında dönmekte olan para gibi. Paketten çıkardığın anda eğer sağ tek olduğunu gördüysen diğeri de sol tek olarak görünüyor! Evrenin neresinde olursan ol.

Einstein buna çok kızıyor. Alice güneş sisteminin bir ucunda, Bob diğer ucunda. Bu parçacık nasıl olacak da kendisinin ölçüldüğü haldeki durum bilgisini -ben artı çıktım- diğer taraftaki dolanık olduğu parçasına gönderecek? O zaman ben de eksi çıkayım. Aralarında telepati mi var bunların? Işık hızından milyonlarca kat daha hızlı haberleşiyor olmaları lazım aralarında. Bu da Einstein’in relativitesine göre imkansız.  İşte Einstein tam da bu duruma “spukhafte (şpukhafte), ürkütücü” diyor: spooky action at a distance. 

Bakın bu konu sadece fizikle değil gerçeklik ve yerellik kavramlarının tanımıyla da ilgili bir konu. “Gerçek” dediğimiz şey nedir? Nesnelerin gözlemden bağımsız belirli özelliklere sahip olduğu… Bu top, kimse ona bakmadığında bile kırmızı olmalıdır. Peki “yerel” dediğimiz şey nedir? Nesnelerin yalnızca çevrelerinden etkilenebileceği. Ve bu etki ışıktan hızlı hareket edemez. Biz “gerçekliği” ve “yerelliği” bugüne kadar hep böyle anladık. 

Oysa kuantum mekaniği başka bir şey söylüyor. “Atom altındaki parçacıklar siz ona bakana, onu ölçene kadar belirsiz bir durumdalar” diyor. Bu top, atom altı bir parçacık olsaydı, aynı anda kırmızı da olabilirdi, mavi de! Yazı tura atılmış bir para gibi… 

İşte Einstein ve arkadaşları bu makalede “Fiziksel Gerçekliğin Kuantum-Mekanik Tanımlaması Tamamlanmış Olarak Kabul Edilebilir mi?” diye sorarken bunu kastediyordu. Kuantum mekaniğinde bir şeyler eksik. Oralarda bir yerlerde gizli bir şeyler olmalı. 

1935 yılında fikirler böyle karşılıklı olarak çarpışmaya başladı. Ama sadece düşünce düzeyinde kaldı bu çatışmalar. On yıllar boyunca kimse gizli bir değişken olup olmadığını test edecek bir fikir geliştirmedi. Açıkcası fizikçiler bu konuya “gerçekliğin doğasına ilişkin felsefi bir tartışma” olarak baktılar.  

Bir fizikçi hariç: John Bell. Kendisi kariyerinin başlangıcından itibaren kuantum ortodoksisinden rahatsızdı. Einstein’a ve onun söz ettiği gizli değişken teorilerine sempati duyuyordu. Fakat konuyu araştırdıkça adeta bir uyanış yaşadı. 1964’te bu konuda teorik düzeyde bir keşif yaptı. Hiçbir gizli değişkenin kuantum mekaniğinin sonuçlarını üretemeyeceğini söyledi. “Bell teoremi”ni geliştirdi. 

Bunu daha iyi anlamak için Alice ve Bob örneğinden devam edelim. Hani Alice kendisine gelen pakete bir soru soruyordu ya, sen hangi yönde dönüyorsun diye… Peki ya bir değil de iki soru sorsa? Yani parçacığın iki farklı özelliğini ölçse… Şu iki sorudan biri:

• Sen hangi yönde dönüyorsun?

Ya da 

• Senin rengin ne bakayım?

Böyle bir düzenek geliştirilirse, Alice ve Bob’un parçacıklara farklı sorular sormasını sağlar; ve böylece aralarında bir çeşit telepati olamayacağını daha kolay ortaya çıkartırız. 

Eğer Einstein’ın düşündüğü gibi durumları önceden belirlenmişse ve “yerel gizli değişken teorisi” söz konusuysa, parçacıklar bu fazladan sorunun üstesinden gelemezler ve Alice’in ölçüm yaptığı her zaman Bob’un yaptığı diğer ölçümle ortaya çıkan o mükemmel korelasyonu elde edemezler. Nefis bir düşünce biçimi. Ama Bell bu teoremini geliştirdiğinde başlangıçta pek kimsenin dikkatini çekemedi. 

Ta ki 1967 yılına kadar. O sırada üniversiteden yeni mezun olan John Clauser, kütüphanenin raflarından birinde Bell’in bu teoremine rastladı ve daha o anda gizli değişken teorilerinin doğruluğunu kanıtlamak üzere kolları sıvadı. Düşünsenize yıllar önce Einstein’ın ortaya attığı fikri kanıtlayacaksınız. 

Onun düşünce deneyini alıp deney düşüncesine çeviren Bell’den sonra Clauser bu kez laboratuvara girip bunun deneyini yaptı. Kayık boyutlarında bir düzenek oluşturup foton çiftlerini iki uca göndermeye başladı. Fakat çıkan sonuçlar yine kuantum mekaniğine uygundu. Yaptıkları deney düzeneğinde boşluklar olabileceği düşüncesine kapıldılar. Özellikle yerellik konusunda bir boşluk olabilirdi. Yani Alice ve Bob’un gizlice birbirleriyle haberleşmediğinden emin olmaları gerekiyordu. 

Birkaç yıl sonra 1976’da bu kez Alain Aspect çok daha gelişmiş bir deney düzeneği oluşturdu. Bu kez o yerellik kaygılarını da ortadan kaldırdılar. Ama sonuçlar kuantum mekaniği lehine daha da güçlendi. 

Hala boşluklar olabilir miydi? Bu kez Anton Zeilinger adlı başka bir fizikçi ekibiyle birlikte çok daha tatmin edici yeni bir deney düzeneği hazırladı. Hem de nerede biliyor musunuz?

Burası Viyana’daki Hofburg Sarayı. Marissa Giustina adlı bu araştırmacı bir düzenek hazırlıyor. Bu düzeneği kırmızı ile gösterilen kanadın bodrum katına kurdular. A ve B ile gösterilen kareler tahmin edebileceğiniz gibi Alice ve Bob’u temsil ediyor. Ortadaki kaynaktan gönderdikleri foton çiftlerini Bell teoremine uygun bir şekilde ölçümlediler. Sonuç yine kuantum mekaniğine uygun çıktı. Aralarındaki mesafeye rağmen ürpertici bir şekilde parçacıklar birbiriyle uyumlu davranıyorlar. 

Birinde artı geliyorsa diğerinde hep eksi geliyor. Kuantum dolanıklığı çok tuhaf, ürpertici, ama gerçekten var ve bu “gerçeklik” ve “yerellik” kavramlarını dahi etkiliyor. Sadece felsefi düzeyde değil, kuantum mekaniğinin ortaya çıkardığı parçacıkların bu ilginç özelliğini kullanarak yeni teknolojiler geliştirilmeye başlandı. 

Nasıl mı? 

Bu paketi açtığımda, nerede olursa olsun diğer paketin içinden ne çıkacağını biliyorsam, bilgiyi oraya neredeyse anında transfer edebiliyorum demektir. Bu şekilde bir bilgi ağı oluşturulabilir mi? Bir kuantum network? Teorik olarak evet ama pratikte çok zor.

Çünkü kuantum dolanıklığı içindeki parçacık çiftleri çok kırılgan. Onu boşu boşuna bir sarayın bodrum katındaki düzeneklerde denememişler. Korunaklı bir ortamda fiber kabloyla gönderdiğinizde bile parçacıklar yolda kaybolabiliyor. Sinyalin gücünü arttırmak da işe yaramıyor tam aksine kuantum dolanıklığını ortadan kaldırıyor. 

Zeilinger bu kırılganlığa karşı şöyle bir düzenek tasarlamış. Gördüğünüz gibi düzenekte bu kez kaynaklar ve dolayısıyla parçacık çiftleri ikiye çıkarılmış. Bu çiftlerden 1 ve 4 numaralı olanlar çok uzaklara gönderiliyor. 2 ve 3 ise çok yakın bir mesafede birbirine dolanık hale getiriliyor. Öyle olunca 1 ve 4 numaralı olanlar da birbiriyle ilişkili hale geliyor. Birbirlerine yakın olmasalar bile… Bu şekilde bir zincirin halkaları gibi bir kuantum network yaratılabilir.

Başka bir yöntem de fiberoptik kablo kullanmak yerine parçacıkları havadan göndermek. Ve bu da denendi.

2018’de sadece bu amaçla yeryüzünden 500 km yüksekte yörüngeye yerleştirilen Çin’e ait Micius uydusu yardımıyla Çin ve Avusturya arasında şifrelenmiş bir görüşme yapıldı. Arada 7600 km.’lik bir mesafe olmasına rağmen bu görüşmenin başkaları tarafından izlenebilmesi ya da şifresinin kırılabilmesi mümkün değil. Çünkü görüşmeyi çözecek olan anahtar “Quantum Key Distribution” yöntemiyle dağıtıldı. 

Bunun ne kadar önemli bir kilometre taşı olduğunu anlayabiliyoruz değil mi? II. Dünya Savaşı sırasında Nazi Almanyası tarafından gizli mesajların şifrelenmesi ve tekrar çözülmesi amacı ile kullanılan bir şifre makinesi vardı: Enigma. Savaşta Almanların üstün konuma geçmesine yardımcı olacak ölçüde önemli bir rolü vardı bu makinenin. Onun şifresini kırabilmek için dünyanın en iyi matematikçilerinden oluşan bir grup çalıştı. Aralarında yapay zeka ve bilgisayar konularında çok önemli bir isim olan ve Turing testini geliştiren Alan Turing de dahil olmak üzere. Ve nihayet kodu kırdılar. Bazı tarihçiler, Almanların bu Enigma kod sisteminin deşifre olması sayesinde Avrupa’da savaşın iki yıl daha önce bittiğini söylüyor.

İşte şimdilerde kuantum dolanıklığı prensibini kullanarak neredeyse kırılması imkansız şifreler üretilmeye başlandı. Bilgi artık kuantum ağlarından taşınıp kuantum bilgisayarlarıyla işlenecek.

2018’de yapılan bu şifreli görüme o yüzden stratejik bir öneme sahip. Görüşmenin Avusturya tarafında gördüğümüz bu kişi yine Zeilinger. Bu yıl Nobel Fizik Ödülü kazanan üç kişiden biri. Diğer ikisi de az önce hikayelerini anlattığım o Bell teoremini deneyleştiren Aspect ve Clauser. 

Bu 3 kişi bilimin en uç noktalarındaki kavramları laboratuvarlarında test ettiler. Kuantum dünyasının Einstein’ı bile ürperten tuhaflıklarının keşfedilmesinde öncülük yaptılar. Deney düzenekleri “orada gizli bir şeyler olmalı” düşüncesini ortadan kaldırdı. Ve bunun sonucunda atom altı parçacıkların bizim ölçeğimizde bile somut ve pratik olarak kullanılabileceğini gösterdiler. 

Onların açtığı bu yolda şu anda dünyanın dört bir tarafındaki araştırmacılar kuantum dolanıklığının hangi alanlarda kullanılabileceğini test ediyorlar. Sarayın bodrumundaki düzeneği kuran ekibin içindeki Marissa Giustina aynı zamanda bir Google çalışanı. Google, kuantum bilgisayarlar üzerinde çalışan teknoloji şirketlerinden sadece biri. 

Bilim dünyasında önce düşünceler çatıştı. Yumruklar yerine tezler ve antitezler çarpıştı. Düşünce deneyleri, deney düşüncelerini doğurdu, onlar da zaman içinde gerçek deneylere dönüştü. 

Bilin bakalım şimdi sırada ne var?