Ana sayfa Bilim Gündemi Kuantum sıçramasına getirilen yeni bakış açıları fiziğin temel ilkelerine meydan okuyor

Kuantum sıçramasına getirilen yeni bakış açıları fiziğin temel ilkelerine meydan okuyor

487

Yeni çalışmalar gösteriyor ki atomaltı parçacıklarının enerji düzeyleri arasındaki geçişleri sanıldığının aksine çok daha karmaşık ve bazen de tahmin edilebilirdir.

Evrenin işleyişini çok küçük ölçeklerde tarif eden kuantum mekaniği, bilindiği gibi sağduyuya aykırı çıkarımlarıyla meşhurdur. Örneğin teorinin standart yorumuna göre, kuantum düzlemde meydana gelen durum değişiklikleri anlık ve tahmin edilemez şekilde gerçekleşir. Eğer atomların hareketlerine yön veren bu yasaları alışık olduğumuz orta ölçekler üzerinden anlatmaya çalışırsak, kek hamurun herhangi bir ara adımdan geçmeden tamamen pişmiş bir kek haline gelmesi gibi garip deneyimlerle karşılaşmayı bekleriz. Elbette günlük deneyimler bize durumun böyle olmadığını ve bu tür “garip” davranışların sadece mikroskobik alem için geçerli olduğunu göstermektedir. Yine de bu “kuantum sıçramalarının” gerçek doğası fizikte çözülmemiş büyük bir problem olagelmiştir.

Geçtiğimiz on yıllarda teknolojide yapılan büyük sıçramalarla birlikte fizikçiler kuantum alemine daha yakından bakabilme fırsatı yakaladılar. 1986 yılı civarında ilk kez gözlemlenmesi ile birlikte, kuantum sıçramalarının gerçek bir fiziksel fenomen olduğu deneysel olarak doğrulandı. O zamandan beri süregelen istikrarlı ilerleme, bu gizemli olaya ilişkin daha derin bakış açılarını peşi sıra getirdi.

2019’da yayımlanan bir çalışma, kuantum sıçramalarının tahmin edilebilir ve anlık olmayan -ve hatta tersine çevrilebilen- doğasını keşfederek klasik görüşü tersine çevirmeyi başardı [2]. Yale Üniversitesi’nde yapılan bu çalışmada asgari müdahale ile kuantum sıçramaları izlendi. Her sıçrama, atomik özellikleri taklit etmek için inşa edilen küçük elektronik bir devreden ibaret süper iletken bir kübitin iki enerji değeri arasında gerçekleştirildi. Sistem daha düşük enerjiye sahipken devrede gerçekleşen “yan aktiviteyi” gözlemleyen araştırmacılar, kuantum deneylerinin temel problemlerinden biri olan “sistemi rahatsız etmeden ölçüm yapabilme” zorluğunun da etrafından dolaşarak ölçümlerini aldılar. Belli başlı anahtar kelimeleri (yan aktivite) takip ederek yan odada oynayan diziyi tahmin etmeye benzetilebilecek bu araştırmanın sonucunda ise görüldü ki daha yüksek enerjiye yapılan sıçramalardan önce her zaman anahtar sözcüklerde bir duraksama gerçekleşiyor. Böylece sıçramaların gerçekleşmesi tahmin edilebiliyor ve hatta durdurulabiliyor.

Aslında basit gibi görünen bu fiziksel fenomenin karmaşık yanlarını gözler önüne serme gayretindeki yeni bir teorik çalışma, sıçramalar ile ilgili neyi, ne zaman söyleyebileceğimiz konusunu derinlemesine araştırıyor [3].

Sıkıysa yakala
Teorik çalışma, temel enerji durumundan başlayarak daha yüksek enerjili uyarılmış duruma geçişi ve tekrar temel enerji durumuna geri dönüşü modelleyerek, kuantum sıçramalarının tüm adımlarını ele alıyor. Almanya’da Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü’nde doktora sonrası araştırmacısı Kyrylo Snızhko, modele göre tahmin edilebilen ve “yakalanabilir” kuantum sıçramalarının “yakalanamaz” bir eşlikçisinin de olması gerektiğini vurguluyor. Yakalanamaz eşlikçi, uyarılmış durumdan temel duruma geri dönüşün yumuşak ve tahmin edilebilir olmadığını betimliyor. Çalışmanın sonuçlarına göre böylesi bir sürecin evrimi, ölçüm cihazının sisteme ne denli bağlı olduğu ile doğrudan ilintili. Bağlantı zayıf olduğunda bir kuantum sıçraması, -Yale deney düzeneğinde kullanıldığı gibi- tahmin edilebilir.

Sistem geçişi, süperpozisyon adıyla bilinen bir dalga fenomeni olan uyarılmış durum ve temel durumun bir karışımından oluşur. Ancak bazen, bağlantı belirli bir eşiği aşar ve süperpozisyon karışımı belli bir tarafın lehine doğru kayarak, sistem temel durumuna sessizce geri döner. Bu özel durum için Weizmann Enstitüsü’nde doktora sonrası araştırmacı ve son çalışmanın ortak yazarı olan Parveen Kumar, “Bu olasılıksal kuantum sıçraması tahmin edilemez ve süreç esnasında tersine çevrilemez” diyor. Başka bir deyişle, başlangıçta tahmin edilebilir sıçramaları bile, doğası gereği öngörülemeyenler süreçlere evrilebilmektedir.

Ancak, yakalanabilir sıçramaları incelerken dikkat edilmesi gereken daha fazla detay var. Snizhko, bunların da tahmin edilemez bileşenlere sahip olduğunu belirtiyor. Yakalanabilir bir kuantum sıçraması her zaman uyarılmış ve temel durumların üst üste bindiği bir “yol” üzerinde ilerleyecektir, ancak sıçramanın tamamlanacağının ise hiçbir garantisi yoktur. Snizhko, “yolun her noktasında, sıçramanın devam etme olasılığı ve temel durumuna geri yansıtma olasılığı vardır” diyerek “sıçrama gerçekleşmeye başlasa da herhangi bir anda aniden iptal edilebilir. Yol tamamen belirlidir fakat sistemin yolu tamamlayıp tamamlamayacağı tahmin edilemez” diye ekliyor.

Bu davranış biçimi Yale deneyinin sonuçlarında da gözlemlendi. Çalışmayı yapan bilimciler, bu tür yakalanabilir sıçramalara “belirsizlik denizindeki belirlenebilir adalar” diyorlar. Columbia Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırmacı ve ilgili çalışmanın yazarlarından biri olan Ricardo Gutiérrez-Jáuregui, “bu çalışmanın güzelliği, yan aktivite yokluğunda sistemin uyarılmış duruma ulaşmak için önceden belirlenmiş bir yol izlediğini göstermesiydi. Bununla birlikte, sistem bu yoldan geçerken cihazın hala sinyal verme şansı var ve bu da geçişi kesintiye uğratıyor” diyor.

“Eğer bu dediğin doğruysa, kuantum fiziği çalışmıyor!”
IBM Thomas J. Watson Araştırma Merkezi’nde araştırmacı ve Yale çalışmasının baş yazarı olan Zlatko Minev, yeni teorik çalışmanın zarif ve basit bir model eşliğinde kuantum sıçrama fenomenini kübitler üzerinden deney parametrelerinin bir fonksiyonu olacak şekilde açıkladığını vurgulayarak, Yale deneyleri ile birlikte ele alındığında kuantum mekaniğindeki ayrışıklık (kuantalanma, discreteness), rastgelelilik ve tahmin edilebilirlik gibi kavramlar üzerine daha söyleneceklerin henüz bitmediğini belirtiyor.
Kuantum sıçramalarının şaşırtıcı derecedeki bu davranışı -temel durumdan uyarılmış duruma yapılacan bir sıçramanın tahmin edilebilmesi- kuantum dünyasının daha önce hiç gözlemlenmemiş bir öngörülebilirlik olabileceğini akla getiriyor. Eğer deneyle gösterilmemiş olsaydı kimi bilimciler bunun kuantum yasaları gereğince yasak olduğunu bile düşünebilirdi. Minev, çalışma arkadaşları ile öngörülebilir kuantum sıçramaları olasılığını ilk kez masaya yatırdığında, bir meslektaşı ona “eğer bu dediğin doğruysa, kuantum fiziği çalışmıyor!” diye bağırarak yanıt vermiş.

Minev, “sonunda, deneyimiz işe yaradı ve çalışmamızdan kuantum sıçramalarının rastgele ve ayrık olduğu sonucuna varılabilir. Yine de daha iyi ayarlanmış bir zaman ölçeğinde, sistemin evrimi tutarlı ve süreklidir. Görünüşe gör birbirine zıt olan bu iki bakış açısı bir arada” diyor.

Bu tür süreçlerin genel olarak dünyamıza -örneğin kuantum laboratuvarının dışındaki atomlara- uygulanıp uygulanamayacağına gelince, Kumar, büyük ölçüde çalışmanın koşullarının ne denli biricik olduğu konusunda şüpheli ve “sonuçlarımızı genellemek ilginç olurdu” diyor. Sonuçlar farklı deney düzenekleri için benzer çıkarsa, o zaman bu davranış -bir anlamda hem rastgele hem öngörülebilir; hem ayrıksı ama hem de sürekli olaylar- kuantum dünyasının daha genel özelliklerini yansıtabilir.

Çalışmanın çıkarımları yakın bir zaman içerisinde test edilebilir. Weizmann Enstitüsü’nden bir araştırmacı ve her iki çalışmaya da katılmamış Serge Rosenblum, “bu tür etkiler son teknoloji ürünü günümüz süperiletken kuantum sistemleri ile gözlemlenebilir ve enstitülerin yeni kübit laboratuvarında gerçekleştirmek isteyeceği deneyler arasında üst sıralarda yer alacaktır” diyor ve “tek bir kübit gibi basit bir sistemin bile bu denli sürprizleri barındırması benim için oldukça şaşırtıcıydı” diye ekliyor.

Uzunca bir süre, doğadaki her şeyin altında yatan kuantum sıçramalarının ölçülebilmesi neredeyse imkansız kabul edildi. Ancak teknolojik ilerleme bunu değiştiriyor. İki araştırmaya da katılmayan, St. Louis’deki Washington Üniversitesi’nden Doçent Kater Murch, “Yale deneyinin teorik bir çalışma için motive edici olması ve teorinin on yıllardır çalışılan bir fizik problemine ilişkin yeni çıkarımlar yaptığını görmek hoşuma gidiyor. Bence deneyler, teorisyenlerin şeyler hakkında düşünme biçimlerini yönlendirmeye gerçekten yardımcı oluyor ve bu da yeni keşiflere yol açıyor” diyor.

Ancak gizem yine de çözülemeyebilir. Snizhko’nun dediği gibi, “Kuantum sıçraması sorununun yakın zamanda tamamen çözüleceğini sanmıyorum. Bu kuantum teorisinin derinlerine işlemiştir. Fakat farklı ölçümler yaparak ve sıçramalarla oynayarak, son derece faydalı bilgilerle karşılaşabiliriz”.

Kaynaklar:
1) https://www.scientificamerican.com/article/new-views-of-quantum-jumps-challenge-core-tenets-of-physics/
2) https://www.nature.com/articles/s41586-019-1287-z
3)https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.2.033512