Kuantum ışınlama kulağa fütüristik bir kavram gibi gelse de teori ya da laboratuvar ölçeğinde sınırlı kalmaktan çıkarak birçok kuantum teknolojisinin temel taşı haline geldi.
Alhun Aydın
Sabancı Üniversitesi Fizik Bölümü Öğretim Üyesi
Maddenin temel doğasının, gündelik deneyimlerimizle şekillenerek oluşturduğumuz klasik fizik algımızdan çok farklı olduğunu 100 yıl önce keşfettik. Kuantum bilimi felsefi çıkarımlarıyla ve matematiğiyle önce beyin kıvrımlarımızda yaşadı, ardından laboratuvarlarımıza girdi ve bugün, UNESCO tarafından Kuantum Bilimi ve Teknolojileri Yılı ilan edilen 2025 yılında kuantum biliminin teknolojik uygulamaları üzerine konuşuyoruz [1]. Kuantum bilgisayar, kuantum iletişim, kuantum sensörler gibi klasik karşılıklarına göre belli açılardan daha avantajlı çözümler üretebilecek yeni kavramlara dayalı özgün cihazlar sayesinde hem endüstriyi hem de toplumu ilgilendirecek kuantum devriminin başlangıcındayız.
Kuantum devriminin en çarpıcı fikirlerinden biri de kuantum ışınlama. Işınlama herkesin bilim kurgu içerikleri sayesinde az çok aşina olduğu bir kavram ve bir cismin bir yerden başka bir yere anında taşınması anlamını taşıyor. Saatler süren kıtalararası uçak yolculukları yerine anında ya da çok kısa süre içinde ülke değiştirebildiğinizi düşünün; güzel olurdu gerçekten. Ancak kuantum ışınlama bilim kurgudaki etiketinden farklı olarak maddeyi anında bir yerden başka bir yere taşımakla ilgili değil. Bunun yerine, bir kuantum durumunun bir konumdan diğerine tam olarak aktarılmasını ifade ediyor. Bu aktarım; kuantum dolaşıklık, kuantum ölçüm kaynakları ve klasik iletişim kanalları ile gerçekleştiriliyor.
Kuantum ışınlama nasıl gerçekleşiyor; birbirlerinden çok uzakta yaşayan iki bilim insanı olan Aslı ve Berk üzerinden bakalım. Aslı, labındaki hangi kuantum durumunda olduğunu bilmediği bir kübiti Berk’e ışınlamak istiyor. Bu kübit herhangi iki seviyeli bir kuantum sistem olabilir. Öncelikle bir kaynaktan dolaşık kübit çifti üretilip bir tanesi Aslı’ya, diğeri de Berk’e yollanıyor. Aynı kaynaktan ortak geçmişe sahip olarak çıkan bu iki kübit tek bir kuantum durum ile ifade edilebiliyor. Yani bu iki foton birbirlerine görünmez bir kuantum ilintililik bağıyla bağlı, diğer bir deyişle dolaşık. Aslı, eline ulaşan dolaşık kübit ile ışınlamak istediği kübit üzerinde ortak bir ölçüm (Bell durumu ölçümü) yaparak iki klasik bitlik bilgi elde ediyor. Bu ölçüm işlemi sırasında Aslı’nın ışınlamak istediği orijinal kübit fiziksel olarak ortadan kalkmasa da, kuantum bilgisi geri döndürülemez biçimde siliniyor. Ölçüm işlemiyle birlikte, orijinal kübitin kuantum bilgisi Berk’in elindeki dolaşık kübite aktarılmış oluyor. Fakat bu aşamada kuantum ışınlama süreci tamamlanmış değil, çünkü aktarılan bilginin dört olası ölçüm çıktısından hangisi olduğuna dair bir belirsizlik bulunmakta. Berk’in elindeki kübite doğru kuantum dönüşümü yapabilmesi için Aslı’nın ölçümden elde ettiği iki bitlik klasik bilgiye ihtiyacı var. Bu sebeple Aslı ölçüm sonucunu klasik bir iletişim kanalı ile (örneğin telefon, e-posta, vb.) Berk’e ulaştırıyor. Dolayısıyla ışık hızından hızlı bir haberleşme mümkün olmuyor. Berk, gelen bu iki bitlik bilgiye göre uygun kuantum dönüşümü uyguluyor ve böylece Aslı’nın orijinal kübit durumu artık Berk’in elindeki kübitte birebir şekilde yeniden ortaya çıkıyor. Bu işlemin basit bir video anlatımı referanslardaki Wikipedia linkinde bulunmakta [2]. Kuantum ışınlamayı uygulamalı olarak anlamak ve deneyin bilgisayar ortamındaki simülasyonu ile etkileşmek isteyenler Quantum Flytrap sanal labına göz atabilir [3].
Kuantum ışınlama ilk olarak Charles Bennett ve çalışma arkadaşları tarafından 1993 yılında önerildi [4]. İlk deneysel doğrulama ise 1997 yılında Innsbruck’dan Anton Zeilinger ve ekibi tarafından gerçekleştirildi [5]. İlk başlarda metreler mertebesinde olan mesafeler yıllar içinde arttı ve şehirlerarası, hatta Dünya ile yörüngedeki uydular arasında, kuantum ışınlama deneyleri gerçekleştirildi [6].
Kuantum ışınlama protokolleri kuantum teknolojileri yol haritasının önemli bir parçası. Bu protokollerin en somut uygulama alanlarından biri kuantum iletişim. Geleneksel veri aktarımında güvenlik, çözülmesi zor ama prensipte imkânsız olmayan şifreleme mekanizmalarına dayanırken, Kuantum Anahtar Dağıtımı (QKD) güvenliği doğrudan doğa yasalarına yaslar. Kuantum anahtarına yapılacak herhangi bir müdahale, onu kaçınılmaz şekilde bozar ve saldırıyı açığa çıkarır. Fakat uzun mesafelerde çevre etkileşiminin yol açtığı eşevreliliğin kaybı QKD’nin verimliliğini sınırlar. Kuantum ışınlama ve dolaşıklık takası temelli kuantum tekrarlayıcılar sayesinde kırılgan kuantum bilgileri uzun mesafelerde bozulmadan aktarılabilir. Bu şekilde küresel olarak ölçeklenebilir ve kuantum-güvenli iletişim ağlarının önü açılabilir [7].
Kuantum ışınlama kuantum hesaplama alanında da çeşitli senaryolarda karşımıza çıkıyor. Kuantum işlemciler büyüdükçe fiziksel olarak farklı birimlere dağıtılmaları gerekebiliyor. Bu durumda kübitlerin farklı donanım modülleri arasında güvenilir şekilde aktarılması önemli hale geliyor. Işınlama bu modüller arasında kuantum bilginin idealde kayıpsız taşınmasına olanak tanıyarak dağıtık kuantum işlemciler kurmayı mümkün kılabiliyor. Ayrıca kuantum ışınlama protokolleri ölçüme dayalı hesaplama ve kapı ışınlanması yoluyla kuantum hata düzeltme süreçlerinde de önemli rol oynuyor [8].
Tüm bu gelişmeler kuantum internet ortak bir vizyonuna işaret ediyor. Bu gelecekteki ağda, bilgi taşıyıcısı olarak klasik bitlere ek olarak dolaşık parçacıklar görev alıyor. Sonuç olarak kuantum ışınlama kulağa fütüristik bir kavram gibi gelse de teori ya da laboratuvar ölçeğinde sınırlı kalmaktan çıkarak birçok kuantum teknolojisinin temel taşı haline geldi. Günümüzde ülkeler kuantum teknolojilerine büyük yatırımlar yapıyor. Özel şirketler de bu yarışa katılmış durumda. İnsanların hayatını kolaylaştıran teknolojiler maddenin temel doğasına hiç bu kadar yakın olmamıştı ve bu yakınlaşma artan bir hızla da devam edecek gibi gözüküyor.
Referanslar:
[1] https://www.unesco.org/en/years/quantum-science-technology
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/File:Quantum_teleportation_video.ogg
[3] https://lab.quantumflytrap.com/lab/quantum-teleportation
[4] Bennett, C. H., Brassard, G., Crépeau, C., Jozsa, R., Peres, A., & Wootters, W. K. (1993). Teleporting an unknown quantum state via dual classical and Einstein-Podolsky-Rosen channels. Physical review letters, 70(13), 1895.
[5] Bouwmeester, D., Pan, J. W., Mattle, K., Eibl, M., Weinfurter, H., & Zeilinger, A. (1997). Experimental quantum teleportation. Nature, 390(6660), 575-579.
[6] Ren, J. G., Xu, P., Yong, H. L., Zhang, L., Liao, S. K., Yin, J., … & Pan, J. W. (2017). Ground-to-satellite quantum teleportation. Nature, 549(7670), 70-73.
[7] Hu, X. M., Guo, Y., Liu, B. H., Li, C. F., & Guo, G. C. (2023). Progress in quantum teleportation. Nature Reviews Physics, 5(6), 339-353.
[8] Pirandola, S., Eisert, J., Weedbrook, C., Furusawa, A., & Braunstein, S. L. (2015). Advances in quantum teleportation. Nature photonics, 9(10), 641-652.
