20 Ocak 2014 tarihinde Tokyo’da yapılan bir açıklamada, Tokyo Üniversitesi Profesörlerinden Akira Furusawa, bir sonraki iletişim yeniliğinin Kuantum Işınlama olacağını söyledi. Furusawa, kuantum mekaniği ve kuantum bilgisayar alanlarında öncü çalışmaların sahibi. Hibrid bir teknikle fotonik kuantum ışınlanma yapmıştı.
Bu haberden yola çıkarak, yarının yaşamına ilişkin ip uçlarını konu içinde bulabilirsiniz.
Günün optik iletiminden bir milyon kat daha hızlı bir biçimde, verilerin ışınlanarak iletildiği kuantum ışınlanma vaadi oldukça önemli bir çığır açıyor. 1997 yılında, fotonik kuantum bilgi iletimi Avusturya Innsbruck Üniversitesi’nde elde edilmişti. Ancak, taşıma sonrasında bilgi işleme ve nakil verimi düşük olmuştu. Yani, kuantum ışınlanma hala kuantum iletişim ve bilgisayarların pratik kullanımı açısından uzun bir yola sahip. Furusawa bulduğu, fotonik kuantum- bit ışınlama modelinin, ilkinden 100 kat daha yüksek verimli olabileceğini göstererek, kuantum bilgi işlem teknolojisi yönünde büyük ilerleme sağladı.
Kuantum-bit ışınlanma, artık sadece bir olasılık anlamında kalmayacak. Yepyeni hibrit fotonik kuantum tekniği ile, geniş bir frekans aralığında ışık dalgaları taşınmasına olanak sağlanabilecek. Kesintisiz, ışık dalgalarının içine fotonik kuantum -bit bilgiyi birleştirebilen bu adımlar, Dünya çapında dikkat çekiyor.
Foton çiftleri
Aktarılan tek şey, bir fotonun kuantum durumu anında uzak bir yerdeki başka bir fotonun durumunu etkileyen kuantum bilgidir. Kavramsal olarak, faks iletmeye benzer ama kuantum bilgi gönderilir.
Biraz daha açmak gerekirse maddenin ışınlaması için foton çiftleri kullanılabilir. Bu foton çiftleri, birbiri ile aynı özelliği gösteren iki fotondan oluşur. Örnek olarak, bir foton Ay’a gönderilse ve Dünya’daki diğeri uyarılsa aynı anda fiziksel bir bağ olmamasına rağmen diğer foton da tetiklenir.
Foton çiftleri ile maddi atomlar kodlandığında diğer merkezdeki fotonlara iletilirse kodların diğer merkezde işlenip, aynı tip atomlarla birleştirilmesi sonucunda aynı madde elde edilir. Bu şekilde madde taşınması, teleportasyonu veya elektronik olarak madde kopyalanması yapılabilir.
Bilgisayarlarda işlemci hızı için bildiğimiz gibi iletkenliği yüksek malzemeler bulunmaktadır.
Geleceğin bilgisayarlarında ise, bu malzemeler yerine -foton çiftleri- kullanılacak. Böylece de, tek işlemci ile süper bilgisayar hızına ulaşılacak, bilgisayarlar ışınlama için vazgeçilmez hale gelecek.
Diyelim ki; bir malzeme var, bunun ışınlanması malzemenin niteliğine göre işlemler bazında değişkenlik arz edecektir. Işınlanmak istenilen bir canlı türü olursa atomlarını tarayabilmemiz için aşırı çoklukta veriyi işlemek zorunda olacağız. Şimdiki bilgisayarlar bu konuda oldukça yetersiz, ne var ki, bir kuantum bilgisayar benzer durumları işleyebilir.
Kuantum ışınlamanın yalnız haberleşmede değil, hastalıklar için de tıpta geniş olanaklar sunabileceği düşünülüyor. Organların kodları kopyalandığında, gelecekte kişinin yaşayabileceği kaza veya rahatsızlık yüzünden hasar alan bir organı, geçmişteki iyi haline dönüştürülebilir. Tüm bu kurgulı projeler, adım adım olası hale gelmesi beklenenlerden.
Kuantum bilgisayarlar, tıp birimleri, askeri alanlar, haber alma servisleri, gizli oluşumlar ve fizikçilerin büyük hedefidir. Örneğin; mikrokozmosa dair kuantum mekaniği yasaları, inanılmaz süper hızlarda hesaplanabilir ve bunu gerçekleştirebilecek özellik kuantum mekaniğine ait durumların üst üste binmesi ya da aynı anda birçok yerde birden bulunması halidir.
Kuantum bit birimleri artık eski tip sayılan bilgisayarlarda kullanılan ikili sistemdeki “1” ya da “0” anahtarları yerine hem “1” , hem de“0” gibi davranabilirler. İşlemler sıra sıra birer birer yapılacağına, aynı zamanda incelenen çoklu durumlar hep tek cevaba indirgenerek kuramsal açıdan tek artıya çökme gösterir. Bir kuantum bit’in madde parçacıkları üzerine mi, ışık parçacıkları üzerine mi yüklenmiş olduğu sorunu çok önemli. Uzun ömürlü ancak yavaş olan madde partikülleri, hızlı ancak kırılgan fotonlardan farklılar.
Peki, ışık parçacıkları yani foton üstüne üzerine kaydedilmiş kuantum bit’lerin bir fiber optik hat üzerinde uzun mesafeler alabilmesine ne buyurulur? İşte burada tek zorluk, bunları kaydetme sorunu. Mesela madde parçacıkları üzerine kaydedilen bilgi, birkaç milisaniye ise ancak bir tuzak sayesinde tutulabiliyor ve gönderilemiyorsa sorun nasıl çözülür?
Atlanta Georgia ‘da fizikçiler, bir kuantum biti, ilk olarak rubidyum atomlarına yüklemiş, sonra da bu bilgileri fotona bindirip uzağa aktarmayı düşünmüşler. İki rubidyum gazı bulutunun her birine aynı anda lazer ışığı ileterek, bulutların ikisinin de dolanıklık ilgisinde bulunan tek foton salmalarını deneyimlemişler. Kuantum belirsizlik ilkesi, fotonun hangi buluttan geldiğini saklıyor. Dolanıklık ilişkisi, fotonla rubidyum bulutlarını birbirlerine ortak ederek, polarizasyonu ile oynanmış fotonun rubidyum bulutlarının kuantum durumlarını değiştirmesine aracı olmaktadır.
Sonuçta da, foton ile işlem yaparak, her iki buluta kuantum- bit yüklenmiş olur. 200-300 nanosaniye içinde, rubidyum bulutlarına ikinci bir lazer ışını gönderildiğinde, kapsadığı bilgi okunabilir. Çünkü lazer, onların yeni bir foton yayınlamasına yol açmıştır. Bu fotonun kutuplanma şekli, rubidyum bulutuna yazılan bilgiyi içermektedir. Yani, lazer ile bilginin geri alınma süreci, kuantum bit’in maddeden ışığa transferini gerçekleştirmiş oluyor.
‘’Kuantum- bit bilgi’’ kısaca, ‘’Qubits’’ olarak tanımlanmıştır. Süper iletken malzemeden yapılmış devreler kullanılarak, günümüzde fazlaca elektrik tüketen bilgisayarlar yerine, yüksek performanslı ama düşük enerji ile iletişim sağlayan kuantum bilgisayarlarla Dünya’ya mükemmel bir iletişim ağı kazandırmak mümkün olabilir.
Kuantum dolanıklık – Quantum entanglement
Dolanıklık, deneylerle defalarca kanıtlanmış gerçek bir fenomen, ancak arkasındaki mekanizma tam olarak herhangi bir teori ile açıklanamıyor.
2012 yılında araştırmacılar, iki ada arasında bir Qubit’i 143 km’lik uzaklığa ışınlamayı başarmışlardı. Kuantum ışınlama, özellikle uydu tabanlı bir kuantum iletişim ağının kurulabilmesinde özel öneme sahip. Fiction filmlerdeki ışınlama olgusu, teorik olarak zaten bu yöntemleri içeriyor.
Kanarya adalarından biri olan La Palma adasındaki bazı fotonlar yoğunlaştırılıp, güçlü bir lazer ile Tenerife’deki alıcıya bir tane iletilmiştir. Görüldüğü gibi, maddelerin kuantum dereceleri transfer edilebilmektedir ve ilk fotonun kuantum seviyesi değiştiğinde, ikinci fotonun kuantum seviyesi inanılmaz hızla değişmiştir.
Kuantum mekaniğine dayanarak, kriptografik bir anahtarı, en sakıncasız ve erişilmez yolla güvenlik içinde göndermenin yolu, bir çift yoğunlaştırılmış foton aracılığı. Böylece, transfer, hiç kimsenin izlemesine olanak tanımadan yapılabiliyor. Kuantum bilgisayarların yüksek güvenilirliği ile kuantum kriptolojide yeni olanaklar sunmasının yanında, kuantum ağ oluşturulduğunda, her işlemci yoğunlaştırılmış fotonların konforunu yaşayabilir.
İnsanlar, ileride, Işınlanan Qubit’leri ileten yapay uyduların gücünü, maddenin enerjiye dönüştürülerek uzay-zamanda hareket ettirilmesinin muhteşemliğini, uydularla ışınlamanın, küresel ışınlama sistemi düzeyine erişmesini ve kuantum interneti deneyimleyebilir mi?
Fotonlar arasındaki mesafe ne kadar uzak olursa olsun, bir tanesinin gösterdiği tepki diğerini de etkiliyor. Fotonlardan biri (a), diğeri de, (b) noktasına ışınlansa, (a)’daki fotonun değişmesi, (b) noktasındakini değiştiriyor, bu foton değişimi, Qubit’lerin kodlanmasına yeterli.
Kuantum Dolanıklık konusunda, zamana karşı iki parçacığın dolanık olabileceği matematiksel olarak tanımlanmış. Sadece birkaç atom kullanarak, bir yerden başka bir yere kuantum teleportasyon olasılığı için Kuantum Dolanıklık kavramı gündeme gelmektedir, buna kodlama olasılığı dahildir.
Teleportasyon, uzaklara ayni anda bilgi iletirken, geçmişten gelecek zamana akan ve iletilebilen bir mesaj aktarımı söz konusu olabilir mi? Neden olmasın, bu fikir; Quantum entanglement olgusu yüzünden olası. Zamanda hareket eden bir kuantum mesajına hazır mıyız?
Dolanıklık bize; fotonların ve diğer mikropartiküllerin, nasıl bağlandıklarını, Qubit’leri nasıl olup da ilettiklerini, paylaştıklarını elektronların yanında nanoparçacıkların hatta, makrokozmostaki minicik elmasların dahi, bir kere birbirleri ile dolanık olduklarında bunların uzay-zamanda ne denli uzak olsalar da, bir diğerini nasıl etkilemeyi ve iletimi nasıl sürdürdüklerini anlatır.
Bu dolanık duruma gelmiş çift partiküller, artık, ayni kuantum mekanik haldedir ve özellik olarak, momentumlarını, konumlarını, spinlerini, dönme hızlarını, kutuplaşma niteliklerini birbirleri ile paylaşmaktadırlar.
Şimdilerde, bilimcilerin, dolanıklık ilkesine uymuş parçacıklar arasındaki bilgi iletiminden hareketle, Kuantum iletim ve ışınlama üzerine çalışmalarla deneyler yapması, konuyu tam bilmeyenlere dahi, dolanıklık sayesinde doğal ve mantıklı gelmeye başlıyor.
‘’ Quantum Entanglement ‘’ önemli bir olgu ve yarının yaşamına ışık tutuyor.
Kuantum hızı
Işığın boşluktaki yayılma hızını aşan, superluminal parçacıklara gelince, İsviçre’de, fiber iletişim hatları kullanılarak, aralarında, 20 km. uzaklık bulunan ve aynı kaynaktan gelen fotonların Kuantum Dolanıklık hızlarının ölçümlendiği deneyde, İki foton arasındaki Kuantum Dolanıklık haberleşme hızı, ışık hızından minimum 10.000 kat, ama ortalama 70.000 kat daha büyük olarak ölçülmüştür.
Kuantum süperpozisyon durumunda bulunan çiftlerin, aynı kuantum durumunu paylaşmaları ile başlangıçta dolanık bulunmaları, mesafeden bağımsız biçimde bu dolanıklık halini devam ettirmelerine yol açıyor.
Kavram, Erwin Schrödinger tarafından açıklanmıştı ve bu ayrılmayan ilişki; dolanıklık, kuantum aleminin son derece muazzam özelliklerinden biri, aynı zamanda Schrödinger’in kedisi’ni ortaya koymasına neden olacaktı.
Onun onaylamadığı ”Kopenhag Yorumu’’, kuantum alemindeki bütün olasılıkların bir diğerine değin, eş zamanlı olarak var olduğunu iddia etmekteydi. Gözlenenler, ölçülene kadar belirsizlerdi. O ise buna karşın, kedi deneyindeki kutuya radyoaktif madde eklemiş, böylece dolanıklığı ifade ederken kedinin aynı anda hem ölü, hem de canlı olmasının gerçeksizliğinden dolayı Copenhagen Yorumu’na zıt olarak, kuantum dolanıklığın ifadesini sunmuştu.
Einstein ise o yıllarda aksini tasarlarken, şimdilerde kendisine ‘’üzgünüz ama…‘’ diyen bilimcilerin olabileceğini tahmin edemezdi. Elbette Einstein’ın özel görelilik kuramı ve denklemleri silinmedi, sadece ışık hızının aşılması halinde yeni olanaklar ve teoriler kurgulanıyor.
Einstein, Schrödinger’in ‘Entanglement’ fikrine karşı olarak, bunun hatalı olduğunu ortaya koyma amacı ile soruyordu: ’’2 foton dolaşıksa, bunlar, ışık hızında hareketle değişik yönlere gönderilmişlerse ışık hızında seyrettiklerinden dolayı siz birini ölçme gözlem pozisyonundaysanız eğer, peki diğerindeki durumu eşzamanlı olarak bilebilmeniz mümkün mü?‘’
Yanıt ise 2013 yılında Kuantum Bilgi İşlem ve İletişim için Balzan Ödülü’nü alan Fransız Fizikçi Alain Aspect’in 80’li yıllarda yaptığı deneyle ortaya çıkacaktı.
Tek bir fotonun ölçümünde dolaşık oldukları diğer fotonun durumu etkilenmektedir.
Böylece bilginin uzak mesafelere ışınlanması hayali, kuantum dolanıklık nedeni sayesinde gerçekleşebilirdi. Dolanık parçacıklar, birbirlerinin durumlarını etkileyebiliyorlardı.
Einstein’ın sorusuna yanıt olarak, yalnızca çift parçacıklarından birinin durumunu biliş, diğerinin de durumunu veriyordu. Bunların Süperpozisyon hali ise ölçüm yapılana dek tek bir kuantum halinin paylaşımıydı.
