Schrödinger’in Kedisi ve Kuantum Dolanıklığı

Schrödinger’in Gerçek Kedisi

Eğer atom altı parçacılarından sonra küçük canlı organizmaları kuantum dolanıklığı durumuna sokabilirsek, gerçek hayatta Schrödinger’in kedisi elde etmiş olacağız.

Schrödinger’in Kedisi Nedir?

Schrödinger’in kedisi, kuantum süperpozisyonunun tuhaf doğasını örneklemek için kullanılan bir düşünce deneyi. Kedi, bir zehir şişesiyle birlikte bir kutuya yerleştirilir. Bir radyoaktif parçacık bozunduğu zaman şişe kendiliğinden kırılacaktır.

Kuantum fiziğinin olasılığı en çok bağlı yanlarından biri de radyoaktif bozunum. Radyoaktif bir parçacığın ne zaman bozunacağını bilemiyor, sadece belli bir dönemde bozunma olasılığını biliyoruz.

Bir süre geçtikten sonra gözlemlenmemiş parçacık, bozunmuş ve bozunmamış hâllerin bir süperpozisyonunda oluyor. Ölçüm yapılmadan (yani kutunun içine bakmadan) önce her şey olasılıklardan ibaret.

Ancak kedinin hayatı radyoaktif parçacığın hâline bağlı olduğuna göre kedicik aynı anda hem ölü hem de canlı demektir. Gerçekte ise kedinin hem canlı hem de ölü olmasını aynı anda göremeyiz.

Kutunun içine baktığımızda kedi bu hallerden sadece birine geçecektir. Deneyin uygulanabilirliği buna bile izin vermiyor. Çünkü dedektörün zehiri serbest bırakması için parçacıkla etkileşime girmesi, onun bozunmasına ya da bozunmamasına yol açması gerekiyor.

Yetersizliklerine rağmen Schrödinger’in kedisi bize süperpozisyonun tuhaflığını hissettiriyor ve böyle bir test, kedi gibi karmaşık bir organizmayla yapılamayacak olsa da örneğin tardigratlar ile yapılması önerilen deneyler Schrödinger’in kedisi deneyini gerçekliğe yaklaştırabilir.

Erwin Schrödinger 1935’te, Schrödinger’in kedisi olarak bilinen ve hem ölü hem de diri olan bir kediyi içeren ünlü düşünce deneyini yaratarak, yeni ortaya çıkan kuantum kuramı alanındaki bir kusura dikkat çekti. Ama yeni araştırmalar gösteriyor ki bu fikir, Schrödinger’in düşündüğü kadar absürt olmayabilir.

1935’te Albert Einstein ve meslektaşları, parçacıkların kuantum dolanıklığı denilen yöntemle uzaktan birbirine bağlanabileceğini öngören bir kuantum kuramı üzerinde çalışıyorlardı.

Einstein bu düşünceden anında nefret etmiş, kuantum dolanıklığı olgusunun var olmasının kendisinin zaten başından beri hazzetmediği kuantum kuramının bir şekilde hatalı olduğu ya da henüz yeterince anlaşılmadığı anlamına gelmesini ummuştu.

Kuantum dolanıklığı,bir çift parçacığın bazı özelliklerinin tuhaf biçimde birbirine bağlandığını ve bu parçacıklardan birini ölçtüğünüz anda, arada büyük bir uzaklık olsa bile diğerinin de durumunu öğrenebileceğinizi öne süren kuantum kuramının garip bir uzantısı.

Einstein için üzücü  de olsa o günden beri dolanıklığın doğru olduğu defalarca gösterildi fakat bugüne kadar bu ancak atom altı düzeyde yapılabildi.

Kuantum Dolanıklığı Einstein’a Göre Aşırı Garip

Kuantum kuramı evrenin bilinen en küçük bileşenlerinin çalışmasını betimler. Elektronların, atomların, moleküllerin ve ışık fotonlarının davranışını tahmin eder. Üstelik de kuantum kuramı bu konuda inanılmayacak kadar başarılı.

Ünlü fizikçi Richard Feynman, kuantum kuramının doğruluk oranını New York ile Los Angeles arasındaki mesafeyi insan saç teli hassaslığında ölçmeye benzetmişti.

Bununla birlikte kuantum parçacıkları her gün gördüğümüz, daha insani bir ölçekteki nesnelerden çok daha farklı hareket ediyor. Kuantum kuramının altında yatan düşüncelerden biri, bir parçacığın aynı anda birden çok yerde olabileceği.

Ne ilginçtir ki etraflarındaki dünyayla etkileşim kurmadıklarında ya da konumları özel olarak ölçülmediğinde, kuantum parçacıklarının kesin bir yeri bulunmuyor.

Onun yerine, elimizde bir parçacığın herhangi bir zamanda bulunabileceği yerlerin olasılıkları bulunuyor. Buna da hâllerin süperpozisyonu deniyor. Schrödinger’in kedisi işte bu olgu yüzünden aynı anda hem ölü hem de diri oluyor.

Bu da her gün gördüğümüz ve “klasik fiziğin” öngürülebilir hassaslığına uyan makroskobik nesnelerle, küçük nesnelerin hüküm sürdüğü mikroskobik dünya (yani kuantum fiziği) arasındaki farkı belirliyor.

Einstein 1930’larda kuantum dolanıklığı durumuna itiraz ettiğinde bu durumu deneysel olarak kanıtlama olanağı yoktu. Fakat 1970’lerde bu mümkün oldu ve o günden beri başarılı dolanıklık deneyleri defarlarca tekrarlandı.

Hatta dolanıklığın bir kaç uygulama alanı bile var. Bunlardan biri de kuantum şifreleme. Sistem, bundan yaklaşık 100 yıl kadar önce “one-time pad” adında kırılamaz bir şifre geliştirmeye çalışan Amerikalı banker ve kriptografi uzmanı Frank Miller’ın bir fikri üstüne kurulu.

Miller şifreli bir mesaj için hem alıcıya hem göndericiye gelişigüzel değerlerden oluşan bir anahtar verilmesini düşünmüştü ama bu anahtar ele geçirilebileceği için yaklaşım %100 güvenli değildi.

Ancak kuantum dolanıklığı birbirinden çok uzak konumlarda bile otomatikman gelişigüzel değerler sağlayabiliyor ve parçacıkların dolanıklık içinde kalıp kalmadığı kontrol edilebildiğinden, parçacıklar hedefine ulaşmadan bir yabancının bu gelişigüzel anahtarı okuması mümkün olmuyor.

Çinli araştırmacılar bu ilkeyi test ettiler ve dolanıklık içindeki fotonları birbirinden 1.200 km uzaklıktaki konumlara gönderdiler.

Kuantum Dolanıklığı, Kuantum Işınlanmasını Mümkün Kılıyor

Dolanıklık olmadan bir kuantum parçacığını kopyalamak olanaksız çünkü parçacığın gözlemlenmesi, özelliklerinin değişip tek bir hâle dönüşmesine yol açıyor. Ancak kuantum dolanıklığı bir parçacığın halini, hiç değiştirmeden bir başka parçacığa taşıyabiliyor.

Bunu Uzay Yolu’ndaki ışınlama aygıtının küçük ölçekli bir versiyonu gibi düşünebilirsiniz ama gerçek ışınlanma nesnenin orjinalini hareket ettirmek yerine onun uzakta bir kopyasını yaratıyor.

Pratikte ışınlanmayı insanları için kullanmak faydalı değil çünkü aşırı fazla sayıda atom söz konusu. Ancak bu işlemle kuantum bilgisini bir yerden diğerine taşımak olanaklı ve bu da kuantum bilgisayarları yapmak için elzem.

Standart bilgisayarlarda bitler 0 ya da 1 değerine sahiptir. Kuantum bilgisayarlarında ise bitin yerine kubit alır ve 0 ile 1’in tüm olasılıkları bir araya getirilerek özel programların geleneksel bir bilgisayarda olduğundan daha hızlı çalışması sağlanır.

Kuantum olgusu labaratuvar dışında bile sürekli gerçekleşiyor. Maddeyle diğer madde veya ışık arasındaki tüm etkileşimler birer kuantum süreci. Tüm elektronik aygıtlar kuantum olgularıyla çalışıyor ve hidrojen çekirdeklerini kaynaşıp enerji üretecek kadar yaklaştıran kuantum parçacıklarının olasılığa dayalı doğası olmasa Güneş bile var olamazdı.

Biyolojide de kuantum süreçlerine karşı giderek artan bir farkındalık var. Mesela bitkilerin ışıktan enerji üretmek için kullandığı fotosentez, enerjiyi bitkinin gereken kısmına yönlendirmek için kuantum etkisinden yararlanıyor.

Güvercinlerin ve kızılgerdan kuşlarının yön bulmasını sağlayan şey dolanıklık olabilir. Bu kuşlar anlaşılan gözlerindeki kuantum dolanıklığı sayesinde Dünya‘nın manyetik alanını algılayabiliyorlar. Gözlere gelen ışık, elektoronların enerjisi arttırıyor.

Ardından elektronların “spin” ya da dönüş olarak bilinen bir niteliği, Dünya’nın manyetik alanındaki küçük değişimlerden etkileniyor. Kuşlar farklı elektronları birbirine bağlayarak bir görüntü oluşturmasında kuantum dolanıklığının rol aldığı düşünülüyor.

Ölçeği Büyütürken

Fakat kuantum olgularını küçük atomlar ya da moleküllerden daha büyük nesnelere uygulamak mümkün mü? Bu sorunun yanıtı evet. Delft Teknoloji Üniversitesinden Dr. Simon Gröblacher ve meslektaşları iki mikroskobik silikon çubuğu dolanıklığa soktular.

Bu çubukların üstünde lazer ışınının enerjisini soğuran ve titreşimlerine yol açan küçük delikler var. Lazer ışını, barların titreşim durumları kuantum dolanıklığı ile birbirine bağlanacak biçimde hazırlandı.

Bu sıra dışı bir şey. Genelde bu büyüklükte bir nesnede nesnenin içindeki farklı atomlar arasındaki etkileşim “dolanıklık kaybına” yol açıyor.

Peki bir çift silikon çubuğunu dolanıklığa sokmak mümkünse bunu ne kadar büyütebiliriz? Canlı organizmalar dolanık olabilir mi?

Kuantum biyolojisi daha yeni bir alan ama Gröblacher’inki gibi deneylerden esinlenen bazı bilim insanları, kuantum etkilerinden faydalanarak canlı organizmalarda süperpozisyon ve dolanıklığı yakalamaya çalışıyor. Bir grup, bunun şimdiden olduğunu iddia ediyor.

2016’da Sheffield Üniversitesinden David Coles ve meslektaşları ışığı iki ayna arasındaki dar aralıktan geçirerek yeşil kükürt bakterilerine yolladılar.

Deneyin amacı fotosentezi araştırmaktı ama verileri inceleyen, Oxford Üniversitesinden kuantum fizikçisi Dr. Chiara Marletto liderliğindeki bir ekip, yeşil kükürt bakterilerinin içindeki moleküllerin ışık fotonlarıyla donalıklığa girdiğini saptadı.

Bu etkiden %100 emin değiller çünkü dolanıklığı kanıtlamak için fotonların ve bakterilerin bağımsız ölçümlerini yapmak gerekiyor ve söz konusu deneyde bu sağlanamadı. Marletto, yaşayan organizmalarla uğraşmanın kuantum parçacıklarına kıyasla çok daha zor olduğunu kabul ediyor.

“Kuantum biyolojisinde moleküller çok karışık ve isabetli ölçüm yapmak çok zor,” diye ekliyor. “Yapılması gereken, bakterinin içindeki tek bir biyomolekülü (biyolojik organizmadaki bir molekülü) izole etmek ve ışıkla dolanıklığa girdiğini göstermek.”

Gerçek Dünyada Kuantum Dolanıklığı

Ancak böyle dolanıklıklar meydana geliyorsa bakterilerin okyanusların derinliklerindeki azıcık ışıktan faydalanarak sağ kalmak için kullandıkları mekanizma bu olabilir.

Dahası, kuantum dolanıklığı kanıtlanırsa bu birçok olasılığın önünü de açabilir. “Kuantum kuramının her ölçekte geçerli olup olmadığına dair çok eski tartışmalar var.

Deney gösteriyor ki canlılardaki biyomoleküller ışıkla dolanıklığa girerken kuantum etkilerini mükemmel biçimde sergiliyor. İlginç olan tüm bu deneyler sırasında bakterinin sağ kalması,” diyor Marletto.

Canlı Bakterileri Dolanıklığa Sokmak, Bakterilerde Işınlanma İmkanını Değerlendirmenin İlk Adımı

Marletto’nun meslektaşlarından Dr. Tristan Farrow, bu olguyu daha da iyi araştırmak için bir çift bakteride bir kuantum niteliğini dolanıklığa sokacak yeni bir araştırma önerisinde bulundu.

Başlangıçta tek bir nitelikle kısıtlı olsa da Farrow bu deneyin daha ileri götürülebileceğini düşünüyor. “Canlı bakterileri dolanık hâle getirmek, bakterilerde ışınlanma olasılığını değerlendirmeye yönelik ilk adım,” diyor.

“Canlı organizmalar bir yana, biyomoleküller gibi büyük, sıcak ve karışık sistemlerin bile kuantum hâllerinin anlamlı bir süre boyunca sağ kalmasına izin vermeyecek kadar zorlayıcı ortamlar olduğu düşünülürdü.

Bu hep doğru mu yoksa bu karmaşık moleküllerin içindeki belli altyapılar kuantum hâllerini zorlayıcı ortamlardan koruyabiliyor mu, bilmiyoruz.”

Bununda pratik uygulamaları olabilir. “Biyolojiden esinlenen kuantum hesaplama, araştırmamızın uygulamalı bir yönü. Biyolojiden ilham olan yapay yapılarda tersine mühendislik uygulamayı planlıyoruz,” diyor Farrow.

“Bunun güzel bir örneği, bazı fotosentetik moleküllerin güneşten yakalanan enerjiyi taşımak için kuantum süperpoziyonlarından faydalanmasını örnek alan son derece verimli bir suni yaprak.”

Gröblacher de canlıları kapsayan araştırmalarla ilgileniyor. Bilim insanı şu anda bir nitrit tabakasını hâllerin süperpoziyonuna getirmeyi planlıyor. Bir lazer kullanarak kuramsal olarak bir milimetrelik, gözle zor görülür bir silikon nitrit tabakasını iki farklı genlikteki titreşimlerle süperpozisyona getirmek olanaklı.

Genlik, bir dalganın bozulmamış pozisyonuyla dalga tepesi arasındaki ölçüme karşılık geliyor. Ne kadar çok kuvvet uygularsanız tepe noktası ve dolayısıyla genlik artıyor. Gröblacher  kendisinin ve ekibinin bunu başarmasına birkaç yıl kaldığı görüşünde.

“Bu membranların süperpozisyonu, çıplak gözle seçilebilen nesnelerin de kuantum davranışı gösterebileceğini kanıtlayacak ve kuantum dolanıklığı bozulmasını, yani klasik mekanikle ve kuantum mekaniği arasındaki geçişi inceleyebileceğiz,” diyor.

Bilim insanının sonraki umudu, tardigrat adlı küçük canlı organizmaları bir silikon nitrit membranına yerleştirip dolanıklığa sokmak.

Tardigratlar susuz kalmaya inanılmaz derecede dayanıklı canlılar. Deney sırasında dehidre durumda olacakları için biyolojileri bir zarar görmeyecek.

Gröblacher  başarılı olursa tardigratlar, bir canlıda iki eş zamanlı hâl görmeye en çok yaklaştığımız noktaya gelecek, yani gerçek hayattaki Schrödinger’in kedisi olacak.

Kaynak: Popular Science