İşte size hayal edilebilecek en küçük ölçekte bir aşk hikayesi: Dolaşıklık. Bu durumda bulunan parçacıklar birbirleriyle içsel olarak öyle bir bağlantı içindedirler ki, aralarındaki uzaklık ne olursa olsun, birini etkileyen herhangi bir değişiklik diğeri üzerinde de eşzamanlı bir etki yaratır.

Dolaşıklık da dahil olmak üzere, pek çok doğaüstü gibi görünen olayın sürekli olarak gerçekleşmekte olduğu parçacıklar düzeyindeki evrenin incelenmesi kuantum mekaniğinin alanındadır. Bu en küçük ölçekte, parçacıkların bazı özellikleri bütünüyle olasılıksaldır. Diğer bir deyişle, gerçekleşene dek hiçbir şeyin kesinliği yoktur.

Bell Teoremi'nin Sınanması

Albert Einstein kuantum mekaniği yasalarının gerçekliği tanımladığına pek inanmıyordu. O ve kendisi gibi düşünen diğer bilimciler işin içinde kuantum sistemlerin öngörülemez olmasını sağlayan gizli değişkenler olduğunu ileri sürdüler. Ancak 1964 yılında yayımladığı makalesinde John Bell şu düşünceyi ortaya koydu: Söz konusu gizli değişkenleri içeren herhangi bir fiziksel gerçeklik modeli, bir parçacığın diğeri üzerinde anlık etki yaratmasını da izinli kılmak zorundadır. Einstein enformasyonun ışıktan daha hızlı ilerleyemeyeceğini kanıtlamış olsa da, Bell'e göre parçacıklar çok uzak mesafelerdeyken bile birbirlerini etkileyebilirlerdi.

Bilimciler Bell'in teoremini modern fiziğin önemli dayanaklarından biri kabul ediyor. Teoremi kanıtlamak amacıyla çok sayıda deney yapılmış olmasına rağmen, yakın zamana kadar Bell'e gereken eksiksiz ve uygun bir sınama yapılamamıştı. 2015 yılında bu konuya ilişkin üç ayrı çalışma yayımlandı ve hepsi de kuantum mekaniğinin öngörüleri ile uyumluydu.

Yayımlanan makalelerden birinin baş yazarı olan Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'nden (NIST) Krister Shalm şöyle anlatıyor: "En heyecan verici yanı, bir anlamda deneysel felsefe yapıyor oluşumuz. İnsanlar hep dünyanın nasıl işlediği hakkında belli beklentiler içinde oldu. Sonra kuantum mekaniği çıkageldiğinde, işlerin bekledikleri gibi yürümediğini gördüler."

'Alis ile Bob' Kuantum Mekaniğini Nasıl Sınadı?

"Bizim makalemiz ve geçen yıl yayımlanan diğer iki makale Bell'in haklı olduğunu gösterdi: Gizli değişkenler içeren bir evren modeli, dolaşık parçacıkların herhangi bir uzaklıktan birbirlerini etkilemesine izin vermek zorunda," diyor Francesco Marsili. Kendisi NASA'da çalışıyor ve Shalm ile aynı araştırma ekibinde yer alıyor. Makaleleri geçtiğimiz yıl Physical Review Letters dergisinde şu akıl karıştırıcı başlıkla yayımlanmıştı: "Yerel Gerçekçiliğin Güçlü Kaçamaksız Sınaması."

NIST laboratuvarında gerçekleştirilen deneyi anlamamıza yardımcı olacak bir benzeşim kuralım: A ve B dolaşık iki foton olsun. A fotonu Alis'e, B fotonu da Bob'a gönderilsin. Alis ile Bob arasındaki uzaklık da 185 metre olsun.

Alis ve Bob fotonlarını dürtüp kurcalayarak her türlü yolla özelliklerini öğrenmeye çalışıyorlar. İkisi de fotonlarını nasıl ölçeceklerine birbirleriyle konuşmadan ve rastgele sayı üretecinden çıkan sayılar doğrultusunda rastgele karar veriyor. Alis ile Bob notlarını karşılaştırdıklarında, yaptıkları bağımsız deneylerin sonuçlarının bağlaşık olduğunu görüp şaşırıyorlar. Çok uzaklardayken bile, dolaşık foton çiftinden birini ölçmenin, diğer fotonun özelliklerini etkilediğini anlıyorlar. "Sanki Alis ile Bob fotonları birbirinden ayırmaya çalışmış, ama fotonların aşkı sürmüş gibi," diyor Shalm. Dolaşık fotonlar uzayda ayrı düşseler bile tek bir sistem gibi davranmaya devam eder.

Alis ve Bob, yapılan deneydeki foton dedektörlerini temsil ediyor. Deneyi çok sayıda başka aşık yani dolaşık fotonla yineliyorlar ve her seferinde aynı görüngü ile karşılaşıyorlar. Tabi gerçekte bu dedektörler insan değil, süperiletken nano kablolu tekil foton dedektörleri (SNSPD ). SNSPD dedektörler süperiletken duruma gelene dek, yani elektriksel dirençlerini kaybedinceye kadar soğutulmuş metal şeritlerdir. Şerite çarpan bir foton, şeritin bir anlığına normal metale dönüşmesine neden olur. Dolayısıyla şeritin direnci sıfırdan sonlu bir değere fırlar. Dirençteki bu değişim sayesinde araştırmacılar olayı kaydeder.

Deneyi laboratuvarda gerçekleştirirken en büyük güçlük, fotonları dedektörlere gönderirken optik fiberlerde kaybolmalarının önüne geçmektir. NASA'nın JPL laboratuvarı ve NIST bu amaçla SNSPD dedektörlerini dünya rekoru kıran bir performansta üretti ve %90'dan yüksek bir verim elde etti. Fotonun varış zamanındaki belirsizlik düşürüldü. SNPSD olmadan böyle bir deney gerçekleştirilemezdi.

Bu Neden Yararlı?

Deney tasarımının kriptografide kullanılma olanağı bulunuyor. Rastgele sayı üreteci kullandığı için bu yöntem bilgiyi ve iletişimi güvenli kılacaktır. "Evren hakkında bize çok derin bilgiler veren deney düzeneğimiz, aynı zamanda bilgiyi güvenli tutmanın gerektiği uygulamalarda da kullanılabilir," diyor Shalm.

Kriptografi bu araştırmanın tek potansiyeli uygulaması değil. Kullanılanlara benzer dedektörler, uzayın derinliklerinde optik haberleşme için de işe yarayabilir. Sinyal varış zamanı hususunda verimi yüksek, belirsizliği düşük olduğu için bu dedektörler optik izgedeki (spektrumdaki) ışık atımları ile bilgi iletimi için çok uygun.

"Güneş sisteminde gezinen uzay araçları ile iletişim için şu anda Derin Uzay Ağı (İng. Deep Space Network) kullanılıyor. Bu ağ enformasyonu radyo sinyali olarak kodluyor. Optik iletişim kullanabilirsek ağin veri hızını 10 ila 100 kat arttırabiliriz," diye ekliyor Marsili. Einstein'ın dediği gibi enformasyonun ışıktan hızlı ilerleyemeyeceğini, ancak optik iletişim araştırmaları ile gönderilen veri miktarının yükseltilebileceğini belirten Marsili, deneylerinde kullandıkları dedektörlerin bu açıdan önemini vurguluyor.