2025 Nobel Fizik Ödülü

İnsan Ölçeğinde Kuantum Dünyası

2025 Nobel Fizik Ödülü, kuantum mekaniği fenomenlerini makroskobik ölçekte gösteren çığır açıcı deneyleri nedeniyle John Clarke, Michel H. Devoret ve John M. Martinis'e verildi. Çalışmaları, kuantum dünyasının genellikle yalnızca mikroskobik parçacıklarda gözlemlenen tuhaf ve sezgiye aykırı özelliklerinin, elle tutulabilecek kadar büyük sistemlerde de ortaya çıkabileceğini kanıtladı. Bu olağanüstü başarı, mikroskobik ve makroskobik alanlar arasındaki boşluğu kapatarak kuantum fiziği anlayışımızı derinleştirdi ve geleceğin teknolojilerine ışık tuttu.

Mikroskobik Ötesinde Kuantum Tünelleme

Kuantum mekaniği, elektronlar veya atomlar gibi bireysel parçacıkların klasik sezgilere meydan okuyan davranışlarını açıklar. Bu olgulardan biri, bir parçacığın görünüşte aşmaması gereken bir enerji bariyerinden geçebildiği "Kuantum Tünelleme" olayıdır; tıpkı katı bir duvardan geçen bir top gibi.

Tünelleme deterministik değil, olasılıksal bir süreçtir ve tek bir parçacığın bariyeri ne zaman aşacağını bilmek imkânsızdır, ancak çok sayıda denemede ortalama bir olasılık hesaplanabilir.

Clarke, Devoret ve Martinis’in deneyleri, bu mikroskobik olguyu milyarlarca parçacığın senkronize biçimde hareket ettiği makroskobik bir sistemde gözlenebilir hâle getirdi. 1984-1985 yıllarında Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley’de iki süperiletkeni ince bir yalıtkan tabaka ile ayırarak Josephson bağlantısını oluşturdular. Bu düzenek, içindeki tüm yüklü parçacıkların tek bir kuantum varlığı gibi topluca davrandığı büyük ölçekli bir kuantum sistemini incelemelerine olanak sağladı.

Süperiletkenler, Cooper Çiftleri ve Josephson Eklemi

Süperiletkenler, aşırı düşük sıcaklıklarda elektrik akımının dirençsiz akmasına izin veren malzemelerdir. Süperiletkenlerdeki elektronlar, Cooper çiftleri adı verilen çiftler halinde birleşerek bireyselliklerini kaybeder ve ortak bir dalga fonksiyonuyla tanımlanan tek bir kuantum mekanik sistemi gibi davranırlar. Bu kolektif dalga fonksiyonu, tıpkı tek bir parçacığın dalga fonksiyonu gibi, tüm sistemin özelliklerini yönetir.

İki süperiletken arasında ince bir yalıtım bariyeri olan Josephson bağlantısı, her iki taraftaki dalga fonksiyonlarının etkileşimi nedeniyle benzersiz kuantum etkileri sergiler. Bu etkiler, teorik olarak Brian David Josephson (1973 Nobel Ödülü) tarafından öngörülmüş ve makroskobik kuantum tünellemeyi göstermek için ödül sahipleri tarafından deneysel olarak araştırılmıştır.

Bu kavramlar, Anthony Leggett’in makroskobik kuantum tünelleme teorileriyle birleştiğinde, Clarke ve ekibine deneysel bir yol haritası sunmuştur.

Deneyler ve Gözlemler

Clarke, Devoret ve Martinis, yaklaşık bir santimetre büyüklüğünde bir silikon çip üzerine milyarlarca Cooper çifti içeren bir süperiletken devre inşa ettiler. Josephson bağlantısına zayıf bir akım verdiklerinde başlangıçta hiçbir voltaj oluşmadı; sistem, sıfır voltajlı kararlı bir durumda sıkışmıştı.

Ardından sistem, bu durumdan makroskobik kuantum tünelleme yoluyla çıktı ve bağlantı boyunca ölçülebilir bir voltaj üretti.

Araştırmacılar, farklı dalga boylarındaki mikrodalgaları kullanarak sistemin enerji emdiğinde daha yüksek enerji düzeylerine sıçradığını gözlemlediler. Bu sonuç, enerji düzeylerinin kuantize olduğunu, yani yalnızca belirli miktarlarda enerji soğurulup yayılabildiğini gösterdi. Enerjisi artan sistemlerin sıfır voltaj durumunda daha kısa süre kalması, mikroskobik tünelleme olaylarını doğrular nitelikteydi.

Teorik ve Pratik Önemi

Bu çalışma, kuantum mekaniğinin yalnızca mikroskobik parçacıkları değil, aynı zamanda çok sayıda parçacıktan oluşan kolektif kuantum durumlarını da yönettiğini kanıtladı.

Anthony Leggett, bu makroskobik kuantum sistemini Schrödinger’in “hem ölü hem diri kedi” düşünce deneyiyle karşılaştırarak, büyük ölçekli süperpozisyonun tuhaf doğasına dikkat çekmiştir. Deneydeki sistem, hâlâ bir kedi kadar büyük olmasa da, tek ve birleşik bir dalga fonksiyonuyla tanımlanma özelliğini paylaşmaktadır.

Pratik açıdan bakıldığında, ödül sahiplerinin yarattığı makroskobik kuantum durumları, yapay atomlar olarak kabul edilebilir; bunlar, yeni deneysel düzeneklere veya kuantum teknolojilerine entegre edilebilen kablo ve konektörlere sahip kuantum sistemleridir. John Martinis sonrasında bu prensipleri, kuantum hesaplama için kuantum bitleri (kübitler) geliştirmek için kullandı; burada kuantize edilmiş enerji seviyeleri, kuantum bilgisinin 0 ve 1 durumları olarak işlev görür. Bu tür makroskobik kuantum sistemleri, hem kuantum bilgisayarların temelini oluşturmakta hem de kuantum fiziğinin sınırlarını yeniden tanımlamaktadır.