Yüzyıl sonra teknoloji öyle bir aşamaya gelmişti ki kuantum mekaniği artık dolaylı değil doğrudan algılama, haberleşme, hesaplama gibi alanlara giriyor.
Prof. Dr. Zafer Gedik
Sabancı Üniversitesi Fizik Bölümü Öğretim Üyesi
Söz uçar, yazı kalır
Savaş Arapoğlu’ndan kuantum mekaniğinin doğuşundan bu yana, 1925 – 2025 arasına vurgu yapan bir yazı isteği geldiğinde ilk bu sözleri düşündüm. “Söz uçar, yazı kalır” diye tercüme edilen Latince “verba volant, scripta manent” sözünü. Çağın gereği mi desek bilmiyorum, bilgiye daha çok, ses bile değil görüntü ağırlıklı ulaşır olduk. Ama kâğıt kokulu sayfalar olmasa bile, en azından yavaş yavaş kaydırılarak okunan ekranlar hâlâ imtiyazlı bir yere sahip diye düşünüyorum.
O zaman tarihe ilk notumuzu düşerek başlayalım. Bir süredir, TÜBİTAK’tan Atilla Hasekioğlu’yla birlikte, Avrupa Birliği Kuantum Amiral Gemisi altında başlatılan Kuantum Topluluğu Ağı’nın (Quantum Community Network – QCN) Türkiye Temsilciliği görevini sürdürüyorum. 14 Nisan Dünya Kuantum Günü QCN toplantılarında doğan bir fikir. 2025 Uluslararası Kuantum Bilimi ve Teknolojisi Yılı ise tam bir diplomasi ürünü. Birleşmiş Milletler’in oylaması öncesinde ülkelerin dışişleri yetkililerini ikna etme çabaları ayrı bir yazının konusu olabilir. Tüm bunlara neden gerek vardı? Çünkü, yüzyıl sonra teknoloji öyle bir aşamaya gelmişti ki kuantum mekaniği artık dolaylı değil doğrudan algılama, haberleşme, hesaplama gibi alanlara giriyordu.
Kuantumun doğuşu
Evet, yüz yıl önce insanlık tarihi önceki bilimsel devrimlerden çok farklı bir aşama geçirdi. Deyim yerindeyse, önce matematiği gelen, fiziği ise adeta damla damla gelip hâlâ beklenilen doygunluğu vermeyen bir teori. Kuantum mekaniği, temel parçacıklardan yıldızlara, galaksilere kadar fiziğin her alanında yol göstericimiz. Onun sayesinde Güneş’in neden ışıdığını anladığımız gibi yine onun sayesinde, transistörleri, tümleşik devreleri inşa edebiliyoruz. En tuhaf, “bu kadarı da olmaz” dediğimiz tahminlerini istisnasız laboratuvarda ya da doğada gözleyebiliyoruz. Ama öte yandan, muhtemelen gökyüzündeki cisimlerin hareketlerini büyük kesinlikle tahmin edebilen, Newton öncesi uygarlıkların da sordukları gibi “peki ama neden” sorusuna doyurucu bir cevap veremiyoruz. “İstediğimiz sayıları veriyor, fazla kurcalama” mantığıyla öğretmeye, araştırmaya ve uygulamaya devam ediyoruz.
1935’teki Einstein – Podolsky – Rosen (EPR) makalesi, henüz on yaşındaki kuantum teorisinin çok ciddi bir şekilde sorgulanmasına yol açtı. Kendi denkleminin fiziksel yorumlamasında zorluklara yaşayan Schrödinger, Einstein ve arkadaşlarının işaret ettikleri sorunu, zorluğu fark etti. Bohm’un adeta rafine edip basitleştirdiği hali şaşkınlık vericiydi. Bugün dolaşıklık dediğimiz özellik nedeniyle birbirlerinden çok uzakta, ışık hızıyla bile haberleşmeleri mümkün olmayan mesafelerdeki gözlemciler arasında, klasik fizikle anlaşılamayacak ilintiler mümkün olabiliyordu kuantum mekaniğinde. İngilizce’de Alice ve Bob olarak geçen gözlemcileri yirmiyi aşkın yıldır, Türk sinemasının yıldızlarından esinlenerek Ediz ve Filiz olarak adlandıra geldik. Einstein ve arkadaşlarının, deyim yerindeyse kuantum mekaniğini adeta silkeleyen gözlemi, en temelde bir problem olduğuna işaret ediyordu. Schrödinger’in denklemindeki dalga fonksiyonu eğer fiziksel, gerçek bir büyüklükse, nasıl olabilirdi ki Ediz’in yaptığı bir işlem (ölçüm) çok çok uzakta Filiz’in göreceğini belirleyebiliyordu.
Bir kısım fizikçinin, kuantum elektrodinamiğine katkıları, geliştirdiği yol integrali ve diyagram tekniği nedeniyle aşina olduğu ama hemen her fizikçinin dersleri, hocalığıyla tanıdığı Richard Feynman’ın hem EPR’a hem de Bell’e mesafeli durduğunu görüyoruz. Meşhur “Feynman Dersleri”nde, EPR deneyini bir paradoks olarak yorumlamaktan çekindiği gibi ileri ki yıllarda Bell’in sıradan, bariz bir sonuç bulduğunu, gereksiz yere abartıldığını söyleyecekti. Bundan kırk kadar önce, ODTÜ’ye ilk girdiğimde “Feynman yeni bir şey yazmış!” diyerek heyecanla okuduğum makalesinde adını bile anmadan Bell’in yirmi sene önceki sonucunu tekrar çıkarmış olması da ilginçtir.
Kuantumun yeni yüzü
Konumuza dönelim. Dolaşıklık ve dolaşıklığın sonucu olarak Bell eşitsizliklerinin ihlali kuantum teknolojilerinin kalbinde yatan bir durum. Bir anlamda iki nokta arasında kuantum iletişimi olduğu anlamına geliyor. 1925’te başlayan, sayesinde transistörleri, lazerleri yaptığımız birinci kuantum devrimini ikincisinden ayıran da bu. Kuantum anahtar dağıtımını, kuantum hesaplamayı, dolaşıklık sayesinde başarıyoruz.
EPR makalesinin ardından David Bohm problemi basitleştirip sadece iki değer alabilen (örneğin 0 ve 1) iki parçacık problemine indirgemişti. Bu basitleştirme Einstein’ın da takdirini kazanmıştı. Einstein, Bohm için tanıdığı en zeki fizikçi olduğunu belki de bu sebepten söylemişti. Feynman dahi Bohm’a hayranlığını gizlememiş, “benden zeki tek fizikçi” diyebilmişti. Konuya ilgi duyanlar, özellikle Yakir Aharonov ve Avshalom Elitzur’un YouTube sohbetlerini izleyebilirler.
Einstein, Bohm için tanıdığı en zeki fizikçi olduğunu söylemişti. Feynman dahi Bohm’a hayranlığını gizlememiş, “benden zeki tek fizikçi” diyebilmişti.
Dolaşıklığın bir örneği, aynı kaynaktan çıkan iki parçacığın, aralarındaki mesafe ne kadar fazla olursa olsun, kuantum ilintilerini koruyabilmeleri. Örneğin, birinin 0 olduğunu gördüğümüzde diğerinin de kesinlikle 1 olduğunu (ölçsek de, ölçmesek de) biliyoruz. Tıpkı birbirine dolaşmış iki ip gibi (kesmek yani ölçmek dışında) ancak tekrar en başa dönerek çözebildiğimiz, ortadan kaldırabildiğimiz bir özellik bu. Dolaşıklığı aynı kaynaktan çıkan parçacık arasında oluşturabildiğimiz gibi zaten dolaşık iki parçacığın, bir anlamda dolaşıklığını aktararak meydana getirmek de mümkün.
Kübit
Kuantum hesaplama ve kuantum öğreni (enformasyon) alanlarında kullanılan, iki farklı durumda bulunabilen sistemlere, klasik bitlere benzeterek, kuantum biti ya da kısaca kubit adını veriyoruz. Telaffuz kolaylığı nedeniyle çoğu kez kübit diye çıkıyor ağızımızdan. Tıpkı klasik sayısal sistemlerde olduğu gibi, bu kez bitler yerine kübitleri kullanarak veri kaydetmek, işlemek mümkün. Ancak, kübitler önemli bir farklılık gösteriyor. Sadece 0 ya da 1 değil, başka ikili durumlarda da bulunabiliyorlar. Siyah-beyaz, tek-çift, kuzey-güney diye adlandırmaya kalksak bile bu ikiller bitmiyor zira sayılamayacak sonsuzluktalar. Kübitlerin farklılıkları bununla da kalmıyor. Az önce bahsettiğimiz dolaşıklık özelliği nedeniyle, kübitler mesafeden bağımsız bir şekilde ilintili olabiliyorlar. Örneğin, bilgisayarın iki ucundaki kübitler, tam dolaşık durumdaysalar, birinin aldığı değer diğerinin de bilinmesine yol açıyor. Bugün en yaygın kübitler, süperiletkenlerden yapılan mikrometre büyüklüğündeki halkalar. Elektrik akımının sıfır dirençle ilerlediği bu sistemlerde akım sadece saat yönünde ya da tersi yönde değil adeta her iki yönde de olabiliyor. Işık tanecikleri, fotonlar bir başka kübit örneği.
Telenakil
Kübitler, her zaman kontrol edemediğimiz dış etkiler nedeniyle, kendiliklerinden değişebiliyorlar, örneğin 0 ya da 1 olabiliyorlar. İşlemlerimizi bundan önce yapmamız gerekiyor. Klasik sistemlerde, elektronikte olduğu gibi sinyalleri güçlendirme şansımız maalesef yok. Zira çok basit bir nedenle bir kübitten iki kübit yapamıyoruz. Bu tür güçlendiricilerin, kuantum transistörlerinin olmama sebebi, kuantum mekaniğinin doğrusal yapısı. Yani a’yı kopyalayıp aa, b’yi kopyalayıp bb yapan bir dönüştürücü, doğrusallık nedeniyle a+b’yi aa+bb’ye götürecektir. Halbuki kopyalayıcının (a+b)(a+b) vermesini bekleriz. Parantezleri açtığımızda elde ettiğimiz ab ve ba terimleri maalesef bu ifadede bulunmuyor. Bu basit gözlemin 1982’ye kadar yapılmamış olması ilginçtir.
Öte yandan, kuantum mekaniği dolaşık kübitler kullanarak, kübit bilgisinin bir yerden bir yere taşınmasına imkân verir. Uzaktarım (uzağa aktarmak anlamında) da dediğimiz telenakil işleminde, orijinal kopyayı imha etme pahasına, ışık hızını geçmeden, bir yerden bir yere taşıma yapabiliyoruz. Telenakil hem bir kuantum aygıtının içinde hem de birbirlerinden uzaktaki sistemler arasında kuantum iletişimi kurmamızı sağlıyor.
Kuantum Anahtar Dağıtımı
Kuantum teknolojilerinin ilk ve en yaygın uygulaması, bugün artık ticari hale de gelmiş olan anahtar dağıtımı yani bir şifrenin bir yerden bir yere güvenli bir şekilde gönderilmesi. Hemen yanı başımızda, Avrupa Birliği ülkelerinde, fiber hatları kullanarak çalışan bu tür aygıtlar giderek yaygınlaşıyor. Elbette, ticari ve askeri uygulamalar çok önem taşıyor. Ana fikir, haberleşen iki kişi arasına girip hattı dinlemeye çalıştığımızda, kübitlerde değişiklik yaptığımız için tarafların bunu fark etmeleri ve bu kübitleri “güvenilmez” diyerek kullanmamaları. Kuantum anahtar dağıtımının uydular üzerinden yapılabilmesi ayrı bir çekici konu.
Telenakil hem bir kuantum aygıtının içinde hem de birbirlerinden uzaktaki sistemler arasında kuantum iletişimi kurmamızı sağlıyor.
Kuantum bilgisayarları
Kuantum mekaniği yasalarına göre işleyen sistemleri kullanarak birtakım problemleri daha hızlı çözmek mümkün gözüküyor. Bunun en basit örneğini, kübit yerine tek bir üç seviyeli kuantum – trit (kütrit) kullanarak göstermek mümkün. Buradaki hızlanma, tek başına işlemin yapılmasındaki hızdan değil, işlem sayısının daha az olmasından kaynaklanıyor. Gauss, bir zamanlar sayıları alt alta yazıp toplamak yerine nasıl çok kolay bir şekilde, sayıları ters sırada ikinci bir satır olarak yazıp, adeta paralel hesaplama yaparak toplamı bulduysa, kuantum algoritmalarıyla da benzer işlemler yapabiliyoruz. Problemler karmaşıklaştıkça, kuantum bilgisayarlarının gücü daha da belirginleşiyor. İlk örnekleri dahi heyecan verici bir geleceğin bizi beklediğini gösterir nitelikte. Yeni malzemeler, ilaçlar geliştirmek, çok daha kesin ve hızlı hava tahminleri yapabilmek akla ilk gelen uygulamalar.
2025’in teknoloji kadar kuantum biliminin kendisine de vurgu yapılarak belirlenmiş olması önemli. Zira son yıllarda kuantum mekaniğinin temelleriyle ilgili de önemli gelişmeler oluyor. Örneğin, ders kitaplarının konusu olan çift yarıkta girişim deneyiyle ilgili, tam bu satırların yazıldığı sırada yayımlanan, yeni bir yaklaşımla karşılaşabiliyoruz. Yavaş yavaş yarıladığımız 2025, hem kuantum biliminde hem de teknolojik uygulamalarında yeniliklere sahne olacak gibi gözüküyor.
