Uzak Mesafeden Ürpertici Etkileşim: Kuantum Dolanıklık Nedir? Cisimler Birbiriyle Işık Hızından Hızlı İletişim Kurabilir mi?

Kuantum dolanıklık (kısaca "dolanıklık" veya "dolaşıklık"), bir grup parçacığın her birinin kuantum durumunun, parçacıklar birbirinden çok uzak mesafeler boyunca ayrılmış olsalar bile, diğerlerinin durumundan bağımsız olarak tanımlanamayacağı şekilde oluşturulduğu, etkileştiği veya uzamsal yakınlığı paylaştığı zaman meydana gelen, fiziksel bir olgudur. Daha kısa tabiriyle kuantum dolanıklık, iki veya daha fazla parçacığın fiziksel özelliklerinin ("kuantum durumlarının") aralarındaki mesafeden bağımsız olarak birbirini etkileyebilmesidir. Kuantum dolanıklık konusu, klasik fizik ile kuantum fiziği arasındaki uyumsuzluğun merkezinde yer alır: Dolanıklık, klasik mekanikte bir karşılığı olmayan ama kuantum mekaniğinde yer alan ana özelliklerden biridir.

Kuantum dolanıklık, aslında sadece atom altı parçacıklara özgü bir özellik değildir; fakat dolanıklığın yeterince uzun süreler ve yeterince uzak mesafeler boyunca korunmaya devam edebilmesi için, dolanık parçacıkların olabildiğince küçük seçilmesi gerekmektedir. Parçacıklar büyük seçilecekse de dolanıklığın bozulmayacağı şartların genellikle laboratuvar ortamında hassas bir şekilde yaratılması ve korunması gerekmektedir. Bugüne kadar bu şartlar altında kuantum dolanıklık, deneysel olarak, hem fotonlar gibi kütlesiz parçacıklar, hem nötrinolar ve elektronlar gibi hafif parçacıklar hem de buckyballs gibi büyük moleküller ve hatta küçük elmaslar ile gösterilmiştir.^{[7], [8], [9], [10], [11]} Kuantum dolanıklık; iletişim, hesaplama ve kuantum radarı gibi birçok sahada aktif olarak araştırılmakta ve geliştirilmektedir.

"Uzak Mesafeden Ürpertici Etkileşim": Kuantum Dolanıklık Nedir?

Herhangi bir parçacık; konum, momentum, spin ve polarizasyon gibi fiziksel özellikleri üzerinden diğer parçacık veya parçacıklarla dolanıklık hâline sokulabilir. Bu bağlamda dolanıklık, iki veya daha fazla parçacığın birbiriyle anlık olarak ve kusursuz bir şekilde iletişim kurabilecek şekilde bağlı olduğu anlamına gelmektedir. Bunu, popüler literatürde en yaygın örnek olan spin üzerinden anlamaya çalışalım.

Spin Nedir?

Tüm temel parçacıkların bir "spin"i ("dönüş" veya "dönme") vardır. Bu, aslında bir basketbol topunun yaptığı gibi gerçek bir "dönme" değildir; ancak bu benzetme, atom altı parçacıkların fiziksel durumunu hayal etmek açısından uygun bir benzetmedir: Tıpkı hareket halindeki bir basketbol topu gibi, bu parçacıkların da belli bir açısal momentumu ve uzayda belli bir yönleri vardır. Onlara "basketbol topu gibi dönmüyorlar" dememizin nedeni, atom altı parçacıkların teknik olarak bir basketbol topu gibi bir küre olmamasıdır: Kuantum parçacıkların spesifik bir şekli yoktur. Küre olmayan (ve spesifik bir şekli bulunmayan) parçacıkların kendi etrafında dönmelerinden de söz edemeyiz; dolayısıyla her ne kadar "elektron spini" dendiğinde aklımızda "ufacık bir topun kendi etrafında dönmesi" canlanıyor olsa da teknik olarak bu tür bir imge doğru değildir. Buna rağmen fiziksel anlatımlarda kuantum spin de bir topun dönmesi şekilde gösterilmektedir ve biz de burada bu şekilde göstereceğiz; fakat "spin" ("dönme") sözcüğünün gerçekte sadece bir benzetim olduğu hatırlanmalıdır.

Elimizdeki parçacığın spinini ölçebiliriz; ancak tıpkı bir basketbol topunun ne yöne doğru ölçtüğünü ilân edebilmek için öncelikle bir "ölçüm yönü" seçmemiz gerekiyorsa, kuantum parçacıkların spinini ölçmek ve ilân etmek için de öncelikle ne taraftan ölçeceğimizi seçmemiz gerekmektedir. Eğer parçacıkları, tam da döndükleri eksen üzerinden ölçecek olursak, bu durumda ölçümün sadece iki sonucu olabilir: Ya parçacık ölçümün yapıldığı yönle örtüşecektir - ki buna "yukarı dönüş" ("spin up") diyoruz, ya da parçacığın dönüşü ölçümün yapıldığı yönün tersine olacak ki buna da "aşağı dönüş" ("spin down") diyoruz.

Elbette, ölçüm yönünü 180 derece döndürecek olursak, daha önceden yukarı spinli bir elektronu aşağı spinli olarak ölçerdik ama daha önceden aşağı spinli olarak ölçtüklerimizi de yukarı spinli olarak ölçerdik. Dolayısıyla elimizdeki fizik, aynen geçerli olmaya devam ederdi. Benzer şekilde, ölçüm yönü ile spin ekseni örtüşmeyebilir de... Yani bir parçacık, ölçtüğünüz yönden 30° sağa veya 81.47° sola yatık da olabilir. Bu şekilde sonsuz olasılık vardır. Fakat ölçüm, her zaman "kuzey-güney" veya "yukarı-aşağı" diyebileceğimiz bir eksene sahip olduğu için, tüm bu ara spin açıları da "yukarı" ve "aşağı" spinlerin bir kombinasyonu olarak tarif edilebilecektir. Yani "yukarı spin" ve "aşağı spin", kullandığımız sistemin temel birimleridir.

Dolanıklığı Oluşturmak...

Şimdi, toplam spinleri sıfır olacak şekilde bir parçacık çifti oluşturduğumuzu hayal edelim. Bunun nasıl yapıldığının detaylarını yazının ilerleyen kısımlarında anlatacağız; fakat burada açık kalmaması adına bu üretimi şöyle düşünebilirsiniz: Atom altı bir parçacık, belli bir olasılık dahilinde, 2 yeni parçacığa bozunarak yok olabilir. Bu bozunma sırasında korunum yasalarına uyulmak zorundadır ve dolayısıyla üretilen iki parçacık, birbiriyle fazlasıyla ilişkili olacaktır: Yani bu iki parçacığın lineer momentumlarının, açısal momentumlarının, enerjilerinin ve spinlerinin toplamı, başlangıçtaki bozunan parçacığın ilgili fiziksel özelliklerini aynen yansıtmak zorundadır. Dolayısıyla örneğin başlangıçta bozunan parçacığımızı spini sıfırsa, onun bozunmasıyla oluşan iki parçacığın toplam spini de sıfır olmak zorundadır. Bu durumda, eğer ki parçacıklardan birinin spini "yukarı" yönlüyse, diğeri "aşağı" yönlü olmalıdır.

Kuantum Belirsizlik, Süperpozisyon ve Dalga Fonksiyonu

İşte bu parçacık çiftimizin toplam spinlerinin sıfır olduğunu her ne kadar bilebiliyor olsak da, az önce sözünü ettiğimiz sonsuz olasılıktan ötürü, her bir çiftin spesifik olarak hangi açıda spine sahip olduğunu bilmemizin bir yolu yoktur. Ancak bu belirsizlik, klasik dünyadan aşina olduğumuz gibi, sadece "deneyciler olarak bizim sahip olduğumuz bir bilgi belirsizliği"nden ibaret değildir. Yeni oluşan parçacıklar, kuantum nitelikte oldukları için, davranışları klasik fizikteki gibi "açık ve net" olmayacaktır.

Bunu "spin" yerine "konum" üzerinden hayal etmek daha kolay olduğu için, konum üzerinden izah edelim: Örneğin masanın üzerindeki durgun bir top, herhangi bir dönme/spin niteliğine sahip olsun veya olmasın, konum bakımından masanın tam ortasında bulunabilir. Bir kutu içindeki elektronsa, spesifik bir konuma sahip olmaksızın, alabileceği bütün konum değerlerine aynı anda sahip olabilmektedir (belirli olasılıklar dahilinde). Bir diğer deyişle bu elektron, %70 ihtimalle kutunun ortasında, %20 ihtimalle kutunun sağ tarafında, %10 ihtimalle kutunun sol tarafında bulunabiliyorsa, bu parçacık aynı anda hem kutunun ortasında, hem kutunun sol tarafında, hem de kutunun sağ tarafında bulunacaktır (ama aynı zamanda ne kutunun ortasında, ne kutunun sol tarafında, ne de kutunun sağ tarafında bulunacaktır). İşte elektronun (veya bir diğer parçacığın), herhangi bir fiziksel özellik için sahip bu olasılık dağılımına dalga fonksiyonu adı verilmektedir.

Spin için de aynı durum geçerlidir: Spini belirsiz (henüz ölçülmemiş/gözlenmemiş) bir parçacık, aynı anda hem saat yönünde hem de saat yönünün tersine dönecek şekilde davranacaktır. Parçacıkların bu şekilde aynı anda birden fazla durumda olabilmesine "kuantum süperpozisyon" denmektedir. Dolayısıyla bir ölçüm yapılana kadar, parçacıkların hangisinin ne yönde bir spine sahip olduğu bilinemez.

Dolanık sistemleri oluşturan parçacıklar, birbirinden bağımsız değillerdir. Dolayısıyla parçacıkların başlangıçta bulunduğu kuantum süperpozisyonu tarif eden dalga fonksiyonu, dolanık parçacıkların hepsinin sahip olabileceği tüm durumları kapsamaktadır.

Süperpozisyonun ne olduğu hakkında daha çok bilgi almak ve kuantum nesnelerin süperpozisyon hâlinde olduğunu nereden bildiğimizi deneysel olarak öğrenmek için buradaki yazımızı okuyabilir veya aşağıdaki videomuzu izleyebilirsiniz.

Ölçüm/Gözlem ve Dalga Fonksiyonunun Çökmesi

Fakat ölçüm veya gözlem yapmak, kuantum süperpozisyonu bozmaktadır: Herhangi bir parçacığın, belirsiz olan özelliklerinden birini (örneğin spinini) gözlediğiniz/ölçtüğünüz anda, parçacığın belirsiz olan spini anında belirgin hâle gelmektedir: O parçacık, ya saat yönüne ya da saat yönünün tersine olacak biçimde davranmaya başlayacaktır. Yani parçacık, ölçümden önce her iki yöne (ve arada kalan tüm yönlere) aynı anda dönerken, ölçüm anından itibaren bu yönlerden sadece bir tanesinin doğru olduğu anlaşılacaktır. Buna, dalga fonksiyonunun çökmesi adı verilmektedir.

Burada sık yapılan bir hata, "gözlem" kavramının bilinçli olması gerektiği sanrısıyla ilgilidir: Çökmenin yaşanması için illâ "gözlem" yapılmasına gerek yoktur; dolanık parçacıkların çevrelerindeki diğer parçacıklarla doğal etkileşimi de "dekoherans" denen bir olaya ve dolayısıyla dolanıklığın bozulmasına neden olabilir.^[12] Zaten başlangıçta "uzak mesafelerde de belirsizliğin korunabilmesi için özel şartların sağlanması gerekir" deme nedenimiz de buydu: Eğer ortamda çok sayıda diğer parçacık varsa, kuantum durumu belirsiz olan parçacık, bu diğer parçacıklardan biriyle etkileşerek dekoheransa uğrayacaktır ve dalga fonksiyonu çökecektir. Bu etkileşimin bilinçli olması gerekmez.

"Uzak Mesafeden Ürpertici Etkileşim" Lafı Nereden Geliyor?

Birbiriyle dolanık olmayan parçacıklarla, dolanık olan parçacıklar arasındaki fark ise şudur: Eğer dolanık olacak biçimde üretilen iki atom altı parçacığı, istenilen ve rastgele bir miktarda (mesela kilometreler boyunca) birbirinden uzaklaştıracak olursanız ve sonradan parçacıklardan bir tanesi üzerinde bir ölçüm yaparsanız, o parçacığın belirsizliği anında yok olacaktır. İlginç olansa şudur: Diğer parçacığın üzerinde henüz hiçbir gözlem yapılmamış olmasına rağmen, o parçacığın da dalga fonksiyonu çöker ve (eğer, önceki paragraflarda söylediğimiz gibi, başlangıçta bu parçacıkların toplam spini 0 idiyse), her zaman, ölçüm yapılan parçacığın tersi olacak biçimde belirlenir.

Bir diğer deyişle, ölçüm yapılana dek parçacıklardan herhangi birinin ana eksende hangi yöne döndüğünü bilmek mümkün değildir. Ancak ölçüm yapıldığı anda, ölçümün yapıldığı parçacığın saat yönünde döndüğü tespit edilecek olursa, henüz ölçülmemiş olan dolanık eşi, anında saat yönünün tersine dönecek şekilde tek bir olasılığa "çökecektir".

Buradaki tuhaf durum şudur: Göründüğü kadarıyla parçacıklar arasındaki bu iletişim, aralarındaki mesafeden bağımsız olarak, anlık bir biçimde olmaktadır. Yani bir parçacığın diğeri üzerinde "gözlem yapıldığı" veya onun "dekoheransa uğradığı" bilgisini anlık olarak almasının bilinen bir yolu yoktur. Buna rağmen dolanık parçacıklardan birinin spini belli olduğunda, diğerininki henüz ölçüm yapılmamış olmasına rağmen, anında belirlenmektedir. Üstelik ilk parçacığa yönelik gözlem ile ikinci parçacığa yönelik gözlem arasındaki mesafe, ışık hızının bu iki gözlem arasındaki sürede erişebileceğinden çok daha uzak olmasına rağmen!

İşte cisimlerin sadece kendi lokalitelerinde (civarlarındaki yerel uzay-zaman dokusunda) olup bitene etki edebileceğine inanan Albert Einstein, bu ilkeyi ihlal ediyor gibi gözüken bu tuhaf olayı, "uzak mesafeden ürpertici etkileşim" (İng: "spooky action at a distance") olarak adlandırmıştır. Einstein, böyle bir davranışın imkansız olduğunu düşünmüştür ve kuantum mekaniğinin kabul edilen formülasyonunun bu nedenle eksik olması gerektiğini savunmuştur.^[1] Bunun neden yanlış olduğuna birazdan döneceğiz.

Buraya kadar öğrendiklerimizi özetleyecek olursak: Kuantum sistemlerde, fiziksel özelliklerden herhangi birine yönelik olarak yapılan herhangi bir ölçüm (veya gözlem veya etkileşim), o parçacığın dalga fonksiyonunun tersinmez bir şekilde çöküşüyle ​​sonuçlanır ve orijinal kuantum durumunu değiştirir. Söz konusu dolanık parçacıklar olduğunda, bu tür ölçümler dolanıklık halindeki sistemi bir bütün olarak etkiler ve dolayısıyla sistemin bir parçasına yönelik ölçüm, diğer parçaların da kuantum dalga fonksiyonunun çökmesiyle sonuçlanır.

Dolanıklık İspatlandı mı?

Kuantum mekaniğinin doğumundan beri yapılan, dolanık parçacıkların polarizasyonunun veya spininin ayrı konumlarda ölçüldüğü ve Bell'in eşitsizliğinin istatistiksel olarak ihlal edildiğini gösteren deneysel çalışmalar, kuantum mekaniğinin "mantık dışı" gibi gözüken, ürpertici tahminlerinin doğru olduğunu göstermiştir.^{[2], [3], [4]} Bu deneylerden bazılarını Evrim Ağacı olarak biz de daha önceden duyurmuştuk.

Kuantum dolanıklığın gerçek olduğunu doğrulayan ilk deney, 1949'da Chien-Shiung Wu ve I. Shaknov adlı bir meslektaşı tarafından, laboratuvar şartlarında fotonlar kullanılarak gerçekleştirilmiştir ve 1950'de Physical Review Journals dergisinde yayınlanmıştır.^[14]

2012 ve 2013'teki deneylerde, zamansal olarak asla bir arada bulunmamış fotonlar arasında başarıyla polarizasyon korelasyonu oluşturulmuştur.^{[15], [16]} Yazarlar, bu sonucun, ilk çiftin bir fotonunun polarizasyonunu ölçtükten sonra iki dolanık foton çifti arasında dolanıklık değiş tokuşu yapılarak elde edildiğini ve kuantum mekansızlığının sadece uzay için değil, aynı zamanda zaman boyutu için de geçerli olduğunu kanıtladığını iddia ettiler.

2013'teki üç bağımsız deneyde, klasik olarak iletilen ayrılabilir kuantum durumlarının, dolanık durumları taşımak için kullanılabileceği gösterildi.^[17]

Ağustos 2014'te Brezilyalı araştırmacı Gabriela Barreto Lemos ve ekibi, nesnelerle etkileşime girmemiş ancak bu tür nesnelerle etkileşime giren fotonlarla karışmış fotonları kullanarak, nesnelerin "fotoğraflarını çekmeyi" başardılar ve özellikle de biyolojik veya tıbbi görüntüleme gibi düşük ışıkta görüntülemenin zorunlu olduğu alanlarda kullanılabilecek önemli bir kameranın önünü açtılar.^[18]

2016'dan itibaren IBM ve Microsoft gibi firmalar, çalışan ilk kuantum bilgisayarları yarattılar ve bu sayede, kuantum dolanıklığı da dahil olmak üzere, kuantum mekaniğiyle ilişkili kavramların pratik uygulamaları ilk kez denenmiş oldu.^[19]

Bazı araştırmacılar, erken dönem dolanıklık deneylerinin, bir noktadaki sonucun uzaktaki ikinci noktaya kurnazca iletilerek sonucu etkileyebileceği ihtimalini eleyemeyeceğini ileri sürerek, bu deneylerin sonuçlarına (veya sonuçların kuantum dolanıklığı ispatladığı iddiasına) itiraz etmişlerdir. Onlara göre inşa edilen kuantum dolanıklık deneylerinde her zaman "gedikler" vardır ve bu gedikler, iki ölçüm arasında bir çeşit bilgi transferini sağlayarak, ikinci parçacığa da bilgiyi iletmektedir.

Bu eleştirilere yönelik olarak yapılan ilk "gediksiz" Bell testi, 2015 yılında Delft Teknoloji Üniversitesi'nden Ronald Hanson tarafından yapılmıştır ve bu deney de Bell eşitsizliğinin ihlal edildiğini, yani kuantum dolanıklığın gerçekliğini doğrulamıştır.^[9] Bu deneylerde dolanık parçacıklar, ışık hızındaki iletişimin bile ölçümler arasındaki süreden daha uzun (hatta bazı deneylerde 10.000 kat daha uzun) süreceği kadar uzak mesafelerde ayrılacağı şekilde gerçekleştirilmiştir ve bu deneyler, kuantum dolanıklık olgusunu tartışmaya yer bırakmayacak şekilde doğrulamıştır. Yine de bu deneylerin gediksizliği de fizikçiler arasında tartışmalıdır.^[13]

Dolanıklık Nasıl İspatlandı?

Peki, parçacığın dönüşü dikey olmasına rağmen biz ölçümü yatay olarak yaparsak ne olur? Bu durumda parçacığın yukarı ya da aşağı dönüşü olması ihtimali %50 olur. Ve ölçümden sonra da parçacık, sahip olduğu tespit edilen dönüşü sürdürür. Yani dönüşü ölçmek parçacığın dönüş yönünü de otomatikman değiştirmiş olur.

Peki, parçacığı dikeyden 60 derece gibi bir açı ile ölçersek ne olur? Bu durumda parçacık, ölçümün yapıldığı yönde daha çok döndüğü için, 3/4 kez yukarı doğru, 1/4 kez de aşağı doğru döner. Bunun olma olasılığı, açının yarısının kosinüsünün karesi ile ilişkilidir.

$P(\wedge )=\cos (\frac{q}{2}{)}^2$

$P(\vee )=\sin (\frac{q}{2}{)}^2$

Yukarıda da belirttiğimiz gibi, eğer ki bir parçacık çifti, kendiliğinden ve enerjiden oluşuyorsa, Evren'in toplam açısal momentumu sabit olmak zorunda olduğu için, bir parçacığın dönüşü yukarı yönlü ölçülmüş ise, aynı yönde ölçülmüş olan diğer parçacığın spini aşağı yönlü olmak zorundadır (bu, sadece aynı yönde ölçüldüğünde geçerlidir).

İşte burada işler biraz garipleşmeye başlıyor. Tüm parçacıkların iyi belirlenmiş bir spin ile oluşmuş olduklarını düşünebilirsiniz, ancak öyle değildir. Örneğin parçacıklarımızın spinlerinin dikey ve birbirine ters olduğunu düşünün. Eğer ikisini de yatay olarak ölçersek, her ikisinin de yukarı yönlü olma ihtimali 50/50 olur. Yani iki ölçümün de aynı yukarı yönlü sonucu verme ihtimali %50 olur ve bu, açısal momentumun korunumu yasası ile çelişir.

Anlayacağınız, kuantum mekaniğine göre bu parçacıkların iyi tanımlanmış bir dönüşleri yoktur bile! Bu parçacıklar sadece "dolanık"tır yani basitçe, spinleri birbirinin tersidir. Yani bir parçacık ölçüldüğü ve dönüşü belirlendiği zaman, anında diğer parçacığın ölçümünün vereceği sonucu bilebilirsiniz. Bir diğer deyişle kuantum dolanıklık, momentumun korunumu yasasını korumak için bir zorunluluktur.

Bu olgu, titiz bir şekilde, deneysel olarak defalarca test edildi. Hangi açı ile ölçüldüğü, hangi dedektörlerin kullanıldığı ya da birbirlerinden ne kadar uzak oldukları fark etmeksizin, parçacıklar her zaman birbirlerinin tersi sonucu verdiler.

Şimdi durup bunun ne kadar çılgınca olduğunu düşünün. İki parçacığın da dönüşü bilinmiyor, siz birini ölçüyorsunuz ve anında öbür parçacığın dönüşünü biliyorsunuz, birbirlerinden onlarca ışık yılı uzakta olsalar bile! Sanki yapılan ilk ölçümün sonucu, diğerinin sonucunu ışık hızından hızlı bir şekilde etkiliyor - ki başlangıçta, gerçekten de pek çok teorisyen sonucu bu şekilde yorumladı.

Gizli Değişken Hipotezi: Parçacıkların Spinini Önceden Belirleyen, "Gizli Bir Bilgi" Olabilir mi?

Ancak Einstein, bunu reddetti. Ona göre parçacıklar, hangi açıdan ölçülürlerse ölçülsünler bir parçacıkların hangi dönüşe sahip olacağına dair gizli bir bilgiye önceden sahip olmalılardı. Einstein, sadece ölçene kadar biz gözlemcilerin bu "gizli bilgi"ye sahip olmadığımızı söyledi. Einstein'a göre parçacıklar, uzayda aynı noktada oluştukları andan itibaren o "gizli bilgi", o parçacıkların hepsinin içinde olduğu için, parçacıklar arasında sinyalin ışık hızından hızlı aktarılması gerekmeyecekti. Zaten spinlerinin ne olması gerektiği en başından belliydi. Biz sadece ölçümü yapıyorduk ve gizem perdesini aralamış oluyorduk.

Bilim insanları, parçacıklar hakkında onları ölçünceye dek bilemeyeceğimiz şeyler olduğu fikrini bir süreliğine kabul ettiler. Ama sonra John Bell, bunu test edebilecek bir deney ile çıkageldi. Bu deney, parçacıkların baştan beri gizli bilgi barındırıp barındırmadığını belirleyebilecekti.

Bell Teoremi ve bu teorem üzerine inşa edilen deneyler, "gizli bilgi" hipotezinin doğru olmadığını göstermiştir! Bir diğer deyişle bu deney, farklı yönlerde hangi dönüş sonucu vereceklerine dair gizli bir bilgi taşıdıkları varsayımını çürütmektedir. Bu farkındalığa yol açan deneyler, Alain Aspect, John Clauser ve Anton Zeilinger üçlüsüne 2022 Nobel Fizik Ödülü'nü getirmiştir. Bu konunun detaylarını daha iyi anlamak için ilgili olarak buradaki yazımızı okuyabilirsiniz.

Dolanık Parçacıklar Arası İletişim Işık Hızını Aşıyor mu?

Hayır. Çünkü dedektörlerden aldığımız sonuçlar, rastgele sonuçlardır; spesifik sonucun ne olacağını öngörmenin bir yolu yoktur. Hangi yönde ölçüm yaparsanız yapın ya da diğer dedektörde ne olursa olsun, "yukarı" ya da "aşağı" yönlü sonuç alma ihtimalimiz %50'dir. Sonradan bu gözlemciler bir araya gelip sonuçlarını karşılaştırdıklarında, aynı ölçüm yönünü seçtiklerinde birbirlerine göre farklı sonuç aldıklarını göreceklerdir. İki veri seti de rastgele olacaktır, ancak diğer tarafın ölçtüğünün karşıtı bir şekilde rastgele olacaktır. Bu gerçekten de tuhaf bir durumdur; ancak iki yönlü iletişime izin vermemekteidr. Yani kuantum dolanıklık, ışık hızından hızlı bilgi iletimine bir fayda sağlamamaktadır. Bu bakımdan, görelik kuramını da ihlal etmemektedir.

Farklı yorumlarla ilgili vaziyeti kısaca özetleyecek olursak, "dalga fonksiyonunun anlık çökmesi" olgusunu reddeden bazı yorumlar, dolanık parçacıklar arasında herhangi bir "etkileşim" olduğu konusunda ihtilafa düşerler ve klasik yoruma karşı çıkarlar. Ama ne olursa olsun, kuantum mekaniğine yönelik bütün yorumlar, dolanıklığın ölçümler arasında korelasyon ürettiğini ve dolanık parçacıklar arasındaki karşılıklı bilgiden yararlanılabileceğini, ancak ışık hızından daha hızlı herhangi bir bilgi aktarımının imkansız olduğu konusunda hemfikirdir; yani kuantum dolanıklık yoluyla ışık hızından hızlı bilgi iletimi mümkün değildir.^{[5], [6]}

Dolanık Parçacıklarla Işıktan Hızlı Bilgi İletilebilir mi?

Hayır! Her ne kadar kuantum dolanıklıktan söz ederken "iki elektron arası iletişim" deniyor olsa da bu aslında yanıltıcıdır. Çünkü bu şekilde söylendiğinde, akla gelen ilk şey, dolanıklıktan faydalanarak ışıktan hızlı iletişim araçları geliştirmek olacaktır. Ne yazık ki bu mümkün değildir. Çünkü dolanık parçacıklar her zaman birbirine zıt değerlere çöküyor olsalar bile, bu iki değerden hangisine çökeceklerini biz önceden tahmin edemiyoruz ve belirleyemiyoruz!

Şöyle düşünün: Dolanık elektronların spin değerlerini bilgisayardaki 1'ler ve 0'lar gibi kabul edelim. Diyelim ki galaksinin bir ucundan diğerine $1101$ kodunu iletmek istiyoruz. Bunun için 4 elektron galaksinin bir ucunda, onlarla dolanık haldeki 4 diğer elektronsa galaksinin öteki ucunda olsun. Sorun şudur: Elimizdeki 4 elektronu doğru sırada 1, yani "yukarı" veya 0, yani "aşağı" olarak çökertmeyi bilmiyoruz! Bu tamamen rastgele olmaktadır ve karşıdaki elektron da ona göre zıt değer almaktadır. Dolayısıyla siz $1101$ bilgisini göndermeye çalışsanız, bir sefer $0101$ gidecektir, başka sefer $1111$ gidecektir.

Kuantum bilgisayarlar gibi über teknolojiler süperpozisyondan faydalanıyor olsalar da, kuantum dolanıklık maalesef bize henüz ışıktan hızlı bir iletişim aracı vermemektedir.

Kuantum Dolanıklık Nasıl Yaratılır?

Birçok popüler bilim sitesi ve popüler bilim kitabı "dolanık parçacıklar" veya "dolanıklık" gibi kavramlardan söz eder; ancak neredeyse hiçbiri, bu dolanıklığın Dolanık parçacıklar olduğu zamanki fiziğin garip yönlerinden bahseden birçok popüler bilim makalesini okuduğunu da belirtti, ancak bu makaleler, bu iki parçacığın nasıl birbirine dolanık hale getirildiği detaylarına değinmiyordu. Yazımızın bu kısmında, kuantum dolanıklık elde etmekte kullanılan 4 ayrı yöntemi anlatacağız.

Yöntem-1: "Doğuştan" Gelen Dolanıklık

Günümüze kadar yapılmış kuantum dolanıklık deneylerinin çoğunda, iki fotonu birbirine dolanıklaştırmak çok kolay olduğundan, dolanık parçacıklar olarak fotonlar kullanıldı. İnsanların fotonlarda kuantum dolanıklık elde etmek için kullandıkları yöntemlerin çoğu da en başından (oluşumlarından) itibaren dolanıklığın oluşmasını sağlıyor.

Tarihsel olarak bunu yapmanın yöntemi, 1980'lerin başında Alain Aspect ve meslektaşları tarafından klasik deneylerde ve bu tarihten biraz önce de Freedman ve Clauser tarafından yapıldığı gibi "kaskat geçişi" kullanmak. Bu deneylerde bir grup kalsiyum atomu, elektronun tek bir foton yayarak temel haline geri dönemeyeceği yüksek bir enerji seviyesine getiriliyor. Bunun yerine kısa süreliğine orta seviyeye geçip iki foton yayarak parçalanıyor. Bir fotonun yayılımından birkaç nanosaniye sonra ikincisi de gerçekleşiyor. Bu yüzden birini görürseniz, ikincisinin de yakın bir zamanda gerçekleşeceğini tahmin edebilirsiniz. Bu fotonlar rastgele yönlere doğru yayılmasına rağmen, ters yönlere yayıldıklarında açısal momentuma göre polarizasyonları birbirleriyle ilişkili olacaktır: Yani, birbirine dolanık halde olacaklardır.

Kaskat yöntemleri iyi sonuç verse de epey yavaştır; çünkü her atom rastgele foton yaydığı için, doğru yönlere doğru yayılan iki fotonun dedektörlerinize yakalanması zaman alabilir. Kuantum dolanıklık olayı, tek yüksek seviyeli fotonları başlangıç enerjilerinin yarısına sahip foton çiftlerine dönüştürmek için lineer olmayan optik kristaller kullanan parametrik aşağı dönüşüm kaynaklarının geliştirilmesiyle ilerleme kaydetmiştir.

Bu kristallerden birine parlayan mor bir lazer (en yaygın kullanılan malzeme BBO olarak da bilinen beta baryum borattır) tutulduğunda, az sayıda yakın-kızılötesi foton çifti üretecektir. Süreçte hala biraz rastlantısallık olsa da, momentumun korunumu, foton çiftlerinin orijinal lazer ışınları etrafındaki bir koninin zıt taraflarında çıkmasını gerektirir ve bu, fotonları yakalamak için iki dedektörü doğru yere koymanızı sağlar. Böylece kristalin (aslında, birbirine düzgünce yapışmış iki ince kristalin) doğru ayarlanmasıyla, iki fotonun polarizasyonu tam dolanıklığı gösterecek şekilde ilişkili olacaktır.

Bu parametrik aşağı dönüşüm kaynakları size çok daha yüksek bir sayım oranı sağlayarak, deneylerin absürt istatistiksel değerler elde etmesine olanak tanır. Temel sistem de bir üniversite laboratuvar deneyi olabilecek kadar basittir. Bunlar, aynı zamanda, kuantum ışınlanma ve daha birçok kuantum bilgi deneyleri için de temel kaynaklardır.

Başlığı Einstein'ın "uzaktan ürpertici etkileşim" şeklindeki alaycı tanımına atıfta bulunan bir haber okursanız, bu haberin aslında parametrik aşağı dönüşüm kullanan deneylerden birinden bahsetme olasılığı yaklaşık %75 olacaktır.

Yöntem-2: İkinci Kuşak Dolanıklık

Fotonlar, kuantum dolanıklığını kanıtlama ve bilgi iletme konusunda çok iyi olsa da dünya yalnızca fotonlardan ibaret değil. Tabii fotonların bazı büyük dezavantajları da mevcut. Bu dezavantajlardan en önemlisi, tanımları gereği, sürekli ışık hızına yakın bir hızla hareket ettiklerinden, onları etrafta tutmanın zor olmasıdır. Dolanıklık için "madde parçacıklarının" kullanılması birçok nedenden dolayı daha iyidir, çünkü bunları daha uzun bir süre boyunca etrafta tutmak daha kolaydır.

Bunu yapmanın akla gelen ilk yollarından biri, dolanıklıkla üretilen bir çift fotonu alıp, söz konusu fotonları çekebilen bir çift atoma yönlendirmektir. Böylece foton çekiminin sonucu fotonların polarizasyonuna bağlı olacaktır ve polarizasyonlar da belirsiz ama birbiriyle ilişkili olduğundan, deney, yine durumları belirsiz ama ilişkili olan iki atomla sonuçlanacaktır.

Pratikte bu biraz zordur; çünkü kolayca elde edebileceğiniz dolanık foton türleri, uzun süren atom durumlarına kolayca bağlanmaz. Tabii yeterince zeki ve donanımlıysanız, bunu yapacak bir yöntem bularak, fotonların dolanıklığını, bu fotonları çeken atomların dolanıklığına dönüştürebilirsiniz.

Yöntem-3: Rastlantısal Dolanıklık

Bu metot, önceki metodu tersine çeviren, akıllıca bir numaradır. Yani deney, farklı konumlarda bulunup foton yayan bir çift atomla başlar. Bu fotonları doğru şekilde bir araya getirmek, onları tıpkı esas atomlarda olduğu gibi birbirine dolanık hale getirebilir.

Bu yöntemde kullanılan iyonlar, bir fotonu iki polarizasyon yönteminden biriyle yayarak parçalanabilecek kadar uyarılmış durumdadırlar. Yayılan fotonları toplayıp iki fotodedektörün çıkışına denk gelecek şekilde bir ışık demeti bölücüsünde bir araya getirmeniz mümkündür.

Bu konfigürasyonda, iki foton cihaza her ulaştığı zamanın 25%'inde, cihazın her çıkışında bir foton saptanacaktır. Bu olay gerçekleştiğinde iki fotonun farklı polarizasyonlarının olduğunu, bunun da iki iyonun farklı durumlarda bulunduğu anlamına geldiğini, kuantum optiğinden biliyoruz. Ancak hangi iyonun hangi fotonu yaydığının bilinmesine imkan yoktur. Bu yüzden, iki iyon birbirine dolanık duruma gelmektedir: Eğer iyonların durumlarını ayrı ayrı ölçerseniz, rastgele sonuçlar elde edersiniz; fakat bu sonuçların listesini birçok tekrar üzerinden karşılaştırırsanız, iyonların birbiriyle tamamen ilişkili olduğunu görürsünüz.

Bu, yapısı gereği olasılığa dayanan bir deneydir ve 2000'lerin başında yapılan bu tür deneyler çok yavaştı. Günümüzde deneyin temel şemasında bazı düzeltmeler yapılmış olsa da, bu yöntem, halen parametrik aşağı dönüşümle elde edilen dolanık parçacıklar kadar pratik bir kaynak sayılmamaktadır. Yine de son derece havalı bir yöntem, çünkü iki iyon hiçbir zaman birbirine yaklaşmıyor bile - ikisi de lazer masasının farklı yerlerindeki ayrı vakum odalara "hapsediliyor". Bir araya getirilen tek şey yaydıkları ışık oluyor; fakat iyonları dolanık hale getirmek ve sonrasında o sıradışı sonuçları almak için bu bile yeterli oluyor.

Yöntem-4: Etkileşimle Elde Edilen Dolanıklık

Önceki metodun en ilgi çekici kısmı (yani iyonların sürekli birbirinden ayrı olması), bizi dolanıklık oluşturmanın son metoduna getirmektedir: iki fotonu bir araya getirip parçacıkların son durumları birbirine bağlı olacak şekilde etkileşime girmelerini sağlamak... Bu da zaten dolanıklık durumunun temel tanımıdır.

Bunu yapmanın birçok yolu vardır, bunların çoğu da farklı kuantum hesaplama şemalarıyla ilişkilidir; ama bunlardan biri olan "Rydberg kuşatması", hayal etmesi en kolay şemadır. Buradaki temel fikir, taban halinde olan ve aralarında çok küçük bir mesafe olan iki atomdur: Bunlar birbirlerini etkilemez, fakat uyarılıp yüksek bir enerji seviyesine getirildikleri halde (atom fiziği jargonunda buna "Rydberg durumu" denir) uzun aralıklarla etkileşime girip birbirlerinin enerji seviyelerine etki edebilirler.

Chad Orzel

Eğer bunu düzgünce uygularsanız, bir atomu uyarıp Rydberg durumuna getirmeniz diğerinin enerjisini öyle değiştirecektir ki, aynı lazerle bir daha uyarılamayacaktır. Yani, bir atoma taban hali ve Rydberg durumu süperpozisyonunda bulunması için lazer atımı uygulayıp, ardından ikinci atomu uyarmaya çalıştığınız zaman, ilk atomla tamamen negatif ilişkili bir süperpozisyonda bulunacaktır: İlk atomun taban halinde bulunan kısmı ikinci atomun Rydberg durumunda bulunan kısmıyla ve Rydberg durumda olan kısım da ikinci atomun taban halindeki durumuyla eşleşecektir. Başka bir deyişle, iki atom birbirine dolanık olacaktır.

Kuantum Dolanıklık Üretmenin Temel Mantığı

Tüm bunlar, her ne kadar belirsiz ama birbiriyle ilişkili durumlara yol açan bir etkileşimin basit birer örneği olsa da, ana fikri açıklamaya yetmektedir. Ne zaman iki sistemi bir parçacığın son halinin diğer parçacığın ilk haline bağlı olacak şekilde bir araya getirebilirseniz, ilk halinin kuantum süperpozisyonunu yaratarak kuantum dolanıklık elde edebilirsiniz. Tabii bu, ikisi de belirsiz durumlarda olan ve bulundukları durumların her değeri birbiriyle ilişkili (veya negatif ilişkili) olan iki parçacığın elde edilmesine neden olacaktır. Bu hem muhteşem, hem de neredeyse her kuantum hesaplama şemasının temelinde olan bir fikirdir.

Tüm bu şemaların ortak noktası, yani dolanıklığın yalnızca yerel anlamda oluşturulduğu da dikkat edilmesi gereken bir husustur. Bu, şemaların ya er geç aynı konumda bulunacak birbirine dolanık parçacıklar içerdiği (dolanık fotonlar aynı atom veya giriş fotonundan geliyor ve birbiriyle etkileşime giren atomlar birbirine yakın oluyor), ya da ışık hızını geçmeyen bir hızla aralarından geçen bir şey aracılığıyla (örneğin atomları ayırmak için atomdan uzaklaşan dolanık foton çifti veya demet bölücüye doğru hareket eden iki iyondan çıkan fotonlar) etkileşime girdikleri anlamına geliyor. Bu, dolanıklığın "tuhaflığını" sürdürmek için önemli bir özelliktir. Ortak bir geçmişi olmayan iki parçacığı keyfi olarak dolanık hale getiremezsiniz - ki bu, dolanıklıktan medet umarak yapılan birçok paranormal fenomenleri doğrulama girişimlerinin geçersizliğini göstermektedir.