İyon Tuzağı: Kuantum Bilgisayarların Doğum Yeri

Yazdır İyon Tuzağı: Kuantum Bilgisayarların Doğum Yeri

Hepimiz suyu kaynattığımızda onun belli bir dereceden sonra kaynamaya başladığını biliriz. Bunun sebebi suya verdiğimiz ısının, su moleküllerinin (atomların) hızını artırmasıdır. Isı atomun hareketini hızlandırır. Buraya kadar her şey yolunda. Peki bu durumun iyon tuzağıyla, ya da daha genel ifadeyle, kuantum bilgisayarlarla olan bağlantısı nedir?

Önce, "iyon tuzağı ya da "iyon kapanı" nedir sorusunun cevabıyla başlayalım. İyon tuzağı (ion trapping) bir atomun vakumda sabit tutularak üzerine deneyler yapmaya yarayan bir tekniktir ve daha isabetli saatlerin ve hatta kuantum bilgisayarların geliştirilmesinde kullanılmaktadır. Bu tekniği şöyle hayal edebilirsiniz. Elinizde bir misket/bilye ve önünüzde de genişçe bir kase olduğunu düşünün. Burada misket, yüklü bir atomu; kase de elektromanyetik bir alanı temsil ediyor olsun. Elinizdeki misketi kasenin kenarından bıraktığınızda ve kaseyi de yuvarlak hareketler yapacak şekilde hafifçe hareket ettirdiğinizde, kasenin içindeki bilyenin (atomun) kasenin dibine doğru ilerlerken tuttuğu süreyi, yani atomun gözlemlenme süresini de böylelikle uzatmış olursunuz. İşin bundan sonraki kısmı ise atomları soğutarak onların hareketini kuantum fiziği elverdiği ölçüde kontrol altına almaktır. Peki atomları soğutarak onların hareketini nasıl yavaşlatabilir ve üzerlerinde deneyler yapabilir hale getiririz?

Lazer Tabancasının Hedefindeki Atom

Yazımızın başında, atomun hareketini hızlandırmak için maddeye ısı vermemiz gerektiğini söyledik. Ancak atomu iyon tuzağında kıstırabilmek için onun hızını düşürmemiz, yani onun enerjisinden bir miktar çalmamız gerekiyor. Onu soğutup enerjisini düşürmek için ise hepimizin bildiği lazer ışığı kullanılıyor. Atomu hedef alan lazer atımları sayesinde atom mutlak sıfıra yakın derecelere kadar (–273,15 °Celsius civarına kadar) soğutularak hızı düşürülüyor. Bunu dilerseniz bir örnekle açıklayalım.

Bir yöne doğru süratle koştuğunuzu ve karşıdan birinin sizin göğsünüze isabet edecek olan bir futbol topunu hızlıca attığını düşünün. Bu, hem hızınızı hem de hareket enerjinizi düşürecektir. Elbette topun durumu da bundan farklı değildir. Benzer şekilde, ışığın da bir enerjisi ve momentumu vardır ve atomun hareket yönünün aksine doğru ilerleyen bir ışık, atomun enerjisini düşürecek ya da atomu yavaşlatacaktır. Deneylerde lazer ışığının tercih edilme sebebi ise lazerin oldukça fazla enerjiye sahip ama bir o kadar da ‘soğuk’ oluşudur. Bunu da saatte yaklaşık 1600 km (saatte bin mil) bir hızla, yani oldukça yüksek bir enerji seviyesinde hareket edip de yine de soğukluğundan bir şey kaybetmeyen bir buz küpüne benzetebilirsiniz.

Kuantum Bilgisayarın İşlem Birimi Olarak Atomlar

Soğutularak elektron kaybeden bir atom, yani bir iyon, ufak bir mıknatıs olarak düşünülebilir. Klasik anlamda konuşacak olursak böylesi bir atom ya “kuzey kutbu” yani 1’i ya da “güney kutbu” yani 0’ı temsil eder ve buna göre bilgi saklar. Ancak kuantum dünyasındaki bir mıknatıs sadece kuzeyi ya da güneyi göstermez, aynı zamanda arada kalan diğer yönleri de (bütün olasılıkları da) gösterir ki bu durum bilgiyi saklama ve hatta onu işleme tabi tutma bakımlarından müthiş bir potansiyel barındırır. (Kuantum bilgisayarlar hakkında daha fazla bilgi almak için şu yazılarımızı okuyabilirsiniz: Evrim Ağacı ve Evrim Ağacı)

“Bugün Tekil Kuantum Sistemin Manipülasyonunun Mekaniği Modundayım”

Kuantum bilgisayarların geliştirilmesine öncülük edecek olan bir atılım 2012’de Dr. Wineland ve ekibi tarafından gerçekleştirildi. Ekip, tuzağa hapsettikleri yüklü berilyum atomları üzerine olan deneyleri sayesinde dünyanın en hassas saatini yaparak Nobel Fizik Ödülü’nü almaya hak kazandılar. Ancak bu öylesine büyük bir başarıydı ki kuantum bilgisayarlara doğru açılan kapıyı aralayacaktı çünkü tekil kuantum cisimleri üzerine olan bu çalışmaları, kuantum bilgisayarların işlem birimi olan “kübit”lerin gelişimine öncülük edecekti. 

Gelelim “Bugün tekil kuantum sistemin manipülasyonunun mekaniği modundayım” sözlerinin sahibine… Bu kişinin Nobel Ödülü'nü alan Dr. Wineland olduğunu düşünüyorsanız, şimdiden söyleyelim, yanılıyorsunuz. Buraya kadar konunun ağırlığından biraz sıkılmış olabilirsiniz diye işin içine biraz magazin katarak sizi şaşırtalım ve yazımıza nokta koyalım istedik. Evet, yukarıdaki söz, ses sanatçısı Yılmaz Morgül’e ait… (Tweet’i için bakınız: https://twitter.com/morgulyilmaz/status/386431659072962560) Bunun nasıl bir mod olduğunu pek bilemesek de iyi bir ruh halidir umarız. :-)

 

Teşekkür: C. Caner Telimenli

Kaynaklar ve İleri Okuma:

1- Ion Trapping - Dr. David Wineland

2- Department of Physics - University of Oxford

3- New York Times

6 Yorum