Kuantum teknolojilerinin en heyecan verici alanlarından biri olan “dolanıklık” fenomeni, parçacıkların klasik fizik kurallarıyla açıklanamayan şekilde birbirine bağlı hale gelmesini ifade ediyor. Bu özellik, geleceğin kuantum bilgisayarları ve ultra hassas kuantum sensörleri gibi teknolojilerin temelini oluşturuyor. Ancak, karmaşık dolanıklık durumlarının oluşturulması bugüne kadar gelişmiş ekipmanlar ve dikkatle tasarlanmış deneysel sistemler gerektiriyordu. Şimdi ise Chicago Üniversitesi Pritzker Moleküler Mühendislik Okulu’ndan araştırmacılar, bu süreci çok daha basitleştiren yenilikçi bir yöntem önerdi.
Yeni çalışma, hali hazırda birçok kuantum fiziği laboratuvarında bulunan araçlarla geniş bir dolanıklık yelpazesinin oluşturulmasını ve kontrolünü mümkün kılıyor. Physical Review X dergisinde yayımlanan araştırma, kuantum ölçüm teknolojilerinde keskin adımlar atılmasına öncülük edebilecek nitelikte ve temel fizik üzerine yeni keşif kapılarını aralıyor. Araştırmanın başyazarı ve moleküler mühendislik profesörü Aashish Clerk, “Farklı fiziksel platformlarda bulunan basit bileşenleri minimal şekilde bir araya getirerek karmaşık ama güçlü sistemler geliştirmeyi hedefledik” dedi.
Araştırmanın temelinde kuantum elektrodinamiği deneylerinde kullanılan optik boşluklar yatıyor. Bu deneylerde atomlar ya da başka parçacıklar, iki ayna arasına yerleştirilen optik boşlukta ışıkla etkileşim kuruyor. Ancak, klasik kuantum boşluk sistemlerinde tüm atomlar ışıkla tamamen aynı şekilde etkileşime girdiği için üretilen kuantum durumlarının çeşitliliği sınırlı kalıyordu. Clerk, “Bu sistemlerin en büyük dezavantajı aşırı simetriye sahip olmaları. Atomların hepsi aynı şekilde ışıkla konuştuğu için elde edilen dolanıklık türleri kısıtlanıyor” diyerek durumu özetliyor.
Araştırma ekibi, bu kısıtlamayı ortadan kaldırmak için sistemi basit ama etkili bir şekilde yeniden tasarladı. Tüm atomlar aynı lazerle uyarılırken, ek lazerler ya da manyetik alanlarla farklı atom gruplarının uyarılmış enerji seviyeleri değiştiriliyor. Atomlar, aynı ama zıt enerji kaymaları olan çiftler halinde eşleştiriliyor. Bu küçük değişiklik, atomların birbirlerinden farklı davranmasını sağlarken sistemi kontrol edilebilir ve öngörülebilir hale getiriyor. Böylece, fiziksel donanımı değiştirmeden hangi atomların hangi enerji kaymasına uğrayacağı ayarlanarak çeşitli dolanık kuantum durumları üretilebiliyor.
Bu yöntemle, “lazerleri açıp beklediğinizde”, sistem kendi kendine karmaşık ve yüksek dolanıklığa sahip bir kuantum durumuna stabilizesi oluyor. Postdoktor araştırmacı Anjun Chu, “Lazerlerin basit ayarlanmasıyla daha önce kimsenin düşünmediği dolanıklık türlerine ulaşabiliyoruz” diyor. Bu gelişme, kuantum dolanıklık çalışmalarında devrim niteliğinde çünkü daha önce erişilemeyen çok sayıda dolanık durum laboratuvarda kolayca yaratılabiliyor.
Özellikle kuantum sensörler alanında bu yeni yaklaşım büyük umut vadediyor. Dolanık kuantum durumları, küçük manyetik ya da yer çekimi alanı farklarını ölçmede teoride çok yüksek duyarlılığa sahip. Ancak hem hassas hem de dış gürültüye dayanıklı kuantum durumları oluşturmak bugüne dek zordu. Yeni sistemde çift grup atom kullanılarak alan gradyanlarının hassas ölçümü mümkün oluyor. İki atom topluluğu farklı noktalara yerleştirildiğinde, ortaya çıkan kuantum durumu bu noktalar arasındaki manyetik ya da yer çekimi alan farkını yansıtıyor. Aynı anda, iki bölgeyi aynı anda etkileyen arka plan gürültüsüne doğal olarak direnç gösteriyor.
Clerk, “Bu yöntemle dolanıklığın kırılganlığını aşarak hem inanılmaz duyarlı sensörler geliştirebiliyor hem de gürültüye karşı dayanıklılık sağlıyoruz” ifadelerini kullandı. Bu yaklaşım, kuantum durumlarında depolanan bilgilerin standart Ramsey ölçüm teknikleri kullanılarak elde edilmesini mümkün kılıyor. Böylece ölçüm için özel ya da alışılmadık yöntemlere gerek kalmıyor.
Araştırma ayrıca, fizikçilerin uzun süredir merak ettiği sıra dışı kuantum durumlarını oluşturmakta da başarılı oldu. Bunlardan biri, 1980’lerde geliştirilen ve nadir bulunan manyetik malzemelerin anlaşılmasında önemli olan AKLT durumu. Araştırmacılar, basit sistemleriyle bu karmaşık durumu bile stabil hale getirebildiklerini gösterdi. Bu durumun, kuantum bilgisayarlarında da potansiyel uygulamaları bulunuyor.
Çalışma şimdilik teorik aşamada olsa da, ekip deneysel testler yapmak için farklı gruplarla görüşmeler yapıyor. Ayrıca atomların sistem içindeki yerleşim şekillerini daha sofistike yöntemlerle düzenlemeye ve farklı dolanık kuantum durumlarının kapsamını keşfetmeye devam ediyorlar. Clerk, “Bu kadar basit araçlarla bu kadar karmaşık ve faydalı kuantum durumları üretebiliyor olmamız, genel amaçlı kuantum bilgisayar hayaline ulaşmadan önce bile, klasik dünyada mümkün olmayan bazı işlemleri gerçekleştirebileceğimiz anlamına geliyor” sözleriyle araştırmanın gelecek vaat eden potansiyeline dikkat çekiyor.
📎 Kaynak: sciencedaily.com
