Kuantum Mekaniği'nin Pratik Olarak Kullanıldığı 5 Alan!

Kuantum mekaniği gariptir. Ufak parçacıkların ve kuvvetlerin nasıl çalıştığını anlatan teori, Albert Einstein ve arkadaşlarını bile 1935 senesinde ürkütmüş ve "tamamlanmış olamayacak bir teori" olarak değerlendirmelerine neden olmuştur.

Sorun, kuantum fiziğinin nedensellik, yerellik ve gerçeklik gibi sağduyuya dayalı kavramları ihlal ediyor gibi gözükmesidir. Örneğin siz, Ay'a bakmıyor olsanız bile orada olduğunu bilirsiniz. Bu, realizmdir. Nedensellik bize eğer ki bir ışık düğmesine basacak olursanız, ampulün ışık saçacağını söyler. Ve ışık hızının katı bir şekilde sınırlı olması nedeniyle şu anda yaktığınız bir ışık, bundan milyonlarca yıl sonra bir başka yerde etkiye neden olabilir; ki bu da yerelliktir.

Ancak bu prensipler kuantum gerçekliğinde işlevsizleşirler. Muhtemelen bunun en meşhur örneği kuantum dolanıklıktır. Kuantum dolanıklık, evrenin iki ayrı ucundaki parçacıkların içsel olarak birbirlerine bağlı olabileceklerini ve bilgiyi anlık olarak paylaşabileceklerini söyler. Bu fikir, Einstein'ın dudak kıvırdığı bir fikirdi; ancak bugün gerçek olduğunu biliyoruz.

Tüm bu sıradışı iddialara ve büyük fizikçiler tarafından reddine rağmen, 1964 yılında fizikçi John Stewart Bell, kuantum fiziğinin gerçekten de tamamlanmış ve işe yarar bir teori olduğunu ispatlamayı başardı. Günümüzde Bell Teoremi olarak bilinen araştırma sonuçları, kuantum dolanıklığın Ay'ın kendisi kadar gerçek olduğunu gösterdi. Öyle ki, günümüzde kuantum mekaniğinin bu tuhaf özellikleri değerlendirilebilmekte ve gerçek yaşamdaki uygulamalarda kullanılabilmektedir. Kuantum insanlara her zaman "uç bilim" olarak geldiği için, sanki hiçbir pratik uygulaması yokmuş gibi bir izlenim oluşur; ancak bu hatalıdır. Bu yazımızda size, kuantum mekaniğinin günlük/pratik kullanımlarına 5 örnek vereceğiz.

1) Ultra-Hassas Saatler

Güvenilir bir şekilde zamanı ölçebilmek, sadece sabahları sizi uyandıran saatler için önemli değildir. Saatler bizlerin teknolojik dünyasını senkronize eder, borsayı ve GPS gibi sistemleri sürdürebilmemizi sağlar. Standart saatler, sarkaçlar (pendulum) veya kuartz kristalleri gibi sıradan, fiziksel nesnelerin sallanmalarını (osilasyonlarını) kullanır ve bu sayede "tik" ve "tak"ları üretir. Günümüzde var olan en hassas saatler, atomik saatlerdir ve bunlar, kuantum teorisini kullanarak zamanı takip ederler. Elektronların belli enerji seviyelerinden sıçramaları için gereken belirli radyasyon frekanslarını kullanırlar. ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'nde (NIST) bulunan kuantum mantığına göre çalışan saat, ancak her 3.7 milyar yılda 1 saniye geri kalır veya ileri gider! 2014 yılında icat edilen ve yine NIST'te bulunan strontiyum saat ise aynı hassaslığa 5 milyar yılda ulaşabilmektedir! Bu, Dünya'mızın şu andaki yaşından bile fazladır. Bu şekilde süper-hassas atomik saatler, GPS navigasyon teknolojilerinde, telekomünikasyonda ve araştırma araçlarında kullanılmaktadır.

Atomik saatlerin hassaslığı kullanılan atomların sayısına kısmen bağlıdır. Bir vakum odası içerisinde tutulurlar ve her bir atom bağımsız olarak zamanı ölçer. Bir yandan da, kendisinde ve komşularında meydana gelen rastgele yerel değişimleri takip ederler. Eğer bilim insanları bir atomik saatin içine 100 kat fazla atom sığdıracak olurlarsa, saat 10 kat daha hassas hale gelir. Ancak tabii bir hacme sığdırabileceğiniz atomların belli bir sayısı vardır. Araştırmacılar bir sonraki hedefin kuantum dolanıklığı kullanarak hassaslığı arttırmak olduğunu söylüyorlar. Dolanık atomlar yerel farklılıklarla meşgul olmak zorunda değildirler ve bunun yerine sadece zamanı ölçebilirler. Bu da, tüm atomların tek bir sarkaç gibi davranmasını sağlayabilir. Yani bu sayede, aynı saat içerisine 100 tane dolanık atom yerleştirmek, saatin hassaslığını 100 kat arttırabilecektir. Dolanık saatler küresel bir ağ oluşturacak şekilde bile tasarlanabilirler ve nerede olduklarından bağımsız olarak zamanı ölçebilirler. 

2) Kırılamaz Kodlar

Geleneksel kriptografi (şifrebilim) anahtarlar kullanır: Bir gönderici bir anahtar kullanarak şifreyi kodlar, alıcı ise bir diğer anahtar kullanarak şifreyi çözer. Ancak bu süreçte birilerinin anahtarları yakalamasına ve şifre kodlarını ele geçirmesine engel olmak çok zordur. Bu sorun, kuantum anahtar dağıtımı (QKD) olarak bilinen yöntemle potansiyel olarak çözülebilir. QKD'de bilgiler fotonlarla gönderilir ve bu fotonlar rastgele kutuplanmışlardır. Kutuplanma, fotonun sadece bir düzlemde titreşmesine neden olur. Örneğin "yukarı aşağı" veya "sağa sola" gibi... Alıcı polarize filtreler kullanarak şifreyi kırabilir ve sonrasında da seçili bir algoritma aracılığıyla bir mesajı güvenle şifreleyebilir. Gizli veri halen normal iletişim kanallarıyla iletilebilir; ancak elinde birebir aynı kuantum anahtarı olmayan hiç kimse bu şifreyi kıramaz. Bu oldukça narin bir süreçtir, çünkü kuantum kuralları, polarize (kutuplanmış) fotonları "okumanın" onların fiziksel durumlarını değiştirmek zorunda olduğunu söyler. Böylece, şifreyi çalmaya yönelik her girişim, iletişimin taraflarını işkillendirmeye yetecektir.

Günümüzde BBN Technologies, Toshiba ve ID Quantique gibi firmalar QKD teknolojisini kullanarak ultra-güvenli ağlar inşa etmektedirler. 2007 yılında İsviçre bir ID Quantique ürününü kullanarak, seçimlerde oyların güvenliğini sağladı. Dahası, dolanıklık QKD teknolojisini kullanarak yapılan ilk banka transferi, Avusturya'da 2004'te gerçekleştirildi. Bu sistem yüksek düzeyde güvenlik vaat ediyor, çünkü verileri çalmaya yönelik girişimler, kuantum durumlarında değişimler yaratacağı için hemen uyarı verecektir. Fakat bu sistem henüz uzun mesafede çalışmamaktadır. Şimdiye kadar dolanık fotonlar en fazla 142 kilometre uzağa veri iletebilmiştir.

3) Süper-Güçlü Bilgisayarlar

Standart bir bilgisayar bilgiyi ikili basamaklarla (1 ve 0'larla veya bitlerle) kodlar. Kuantum bilgisayarlar ise kuantum bitleri (kubitler) kullanarak işlem gücünü katlayarak arttırır. Çünkü kubitler, belli kuantum durumlarının süperpozisyonu (birden fazla halin bir arada etki etmesi) ile çalışırlar. Yani ölçülene kadar kubitler hem 1, hem 0 olabilirler! 

Bu alan halen gelişmektedir ama doğru yöne doğru adımlar atılabilmiştir. 2011 yılında D-Wave Systems firması D-Wave One isimli 128-kubitlik işlemciyi sunmuştur. Bundan sadece 1 sene sonra 512-kubitlik D-Wave Two üretilmiştir. Firma, bunların ilk ticari olarak kullanılabilir kuantum bilgisayarlar olduğunu iddia etse de, bu iddia şüphecilik ile karşılanmıştır. Çünkü halen D-Wave'in kubitlerinin dolanık olduğu kesin değildir. Mayıs 2014'te yapılan araştırmalar dolanıklığa dair ispatlar bulmuştur; ancak bu kanıtlara bilgisayarın kubitlerinin sadece küçük bir kısmında ulaşılabilmiştir. Dahası, üretilen çiplerin güvenilir ve şekilde kuantum hızlandırmasına açık olup olmadığı da kesind eğildir. Yine de, NASA ve Google güçlerini birleştirerek, D-Wave Two işlemcilerini kullanan bir Kuantum Yapay Zeka Laboratuvarı kurmuştur. Bristol Üniversitesi'nden araştırmacılar ise kendilerinin geleneksel kuantum çiplerini 2013'te internete bağlayarak, internet kullanabilen herhangi birinin kuantum kodlama öğrenebilmesini mümkün kıldı.

4) Gelişmiş Mikroskoplar

Şubat 2014'te Japonya'nın Hokkaido Üniversitesi'nden araştırmacılar Dünya'nın ilk dolanıklıkla güçlendirilmiş mikroskoplarını ürettiler. Bunu yapmak için diferansiyel girişim kontrast mikroskopisi denen bir teknik kullandılar. Bu tür mikroskoplar bir madde üzerine iki foton ışını gönderirler ve ışığın girişim desenini incelerler. Bu girişim deseni, maddenin düz veya düzensiz yüzeyine göre farklılıklar gösterir. Dolanık fotonları kullanmak, mikroskobun elde edebileceği bilgiyi katlayarak arttırır; çünkü dolanık fotonlardan birini ölçmek, diğeri hakkında da bilgi verir. 

Hokkaido takımı şimdiye kadar hiç ayırt edilememiş keskinlikteki bir arkaplandan 17 nanometre yükseğe kazınmış "Q" harfini bu mikroskopla görüntülemeyi başardılar. Benzer teknikler, interferometre gibi astronomik ölçüm araçlarının da hassaslığını arttırabilir. İnterferometreler, birden fazla ışık dalgasını bir arada inceleyerek onların özelliklerini daha iyi analiz edebilir. İnterferometreler Güneş ötesi gezegenlerin tespitinde, yakın yıldızların görüntülenmesinde ve uzayzamandaki "kütleçekim dalgalanmalarını" tespit etmekte kullanılabilir.

5) Biyolojik Pusulalar

İnsanlar kuantum mekaniğinden faydalanan tek canlılar değildir. Önde gelen bir teoriye göre Avrupa narbülbülü gibi kuşlar, göç yollarını kuantum mekaniğinin ürkütücü özelliklerinden faydalanarak bulurlar. Bu yöntem dahilinde ışığa duyarlı kriptokrom isimli bir molekül yer almaktadır. Kriptokromlar içerisinde dolanık elektronlar bulunduğu düşünülmektedir. Fotonlar göze girdiğinde, kriptokrom moleküllerine çarparlar ve onları parçalayacak kadar enerjiyi verirler. Bunun sonucunda iki reaktif molekül (radikal) oluşur. Bunlarda birbirinden ayrılmış ama halen dolanık elektronlar bulunur. Bu sayede hayvanlar, bu moleküllere dayalı manyetik bir "haritayı" görebilirler.

Bu süreç tam olarak anlaşılmış değildir; ancak bir diğer opsiyon daha var: kuşların manyetik hassaslığı, gagalarındaki manyetik mineraller içindeki ufak kristallerden kaynaklanıyor da olabilir. Buna rağmen, deneylerin gösterdiğine göre dolanıklık eğer ki iş başındaysa, bir kuşun gözündeki hassas durum, üretilebilecek herhangi bir yapay sistemden çok daha uzun soluklu olmalıdır. Manyetik pusula ayrıca bazı kertenkelelerde, deniz kabuklularında, böceklerde ve hatta memelilerde bile bulunuyor olabilir. Örneğin sineklerde manyetik yönelime katkı sağlayan bir çeşit kriptokrom, insanların gözünde de tespit edilmiştir. Ancak bu moleküllerin şu anda veya bir zamanlar bu görevde kullanılıp kullanılmadığı henüz bilinmemektedir.