Kuantum nesneler, onları birleştiren parçaların toplamından ibaret olarak düşünülemez. Kuantum hesaplamaları karmaşık duruma getiren de budur. Bu karmaşık nesneler üzerinde çalışan Viyana Üniversitesi bilimcileri, Bose-Einstein yoğuşuk maddesi üzerine hesaplamalar yaparak parçacıkların toplu davranışının bazı sırlarını ortaya çıkardı.

Kuantum sistemleri çözümlemek, birkaç taneden fazla parçacıktan oluşmaları durumunda aşırı zordur. Tek bir hidrojen atomunun hesaplamalarını yapmak zor olmasa da, birkaç bin atomlu bir atom bulutu ele alındığı takdirde, kaba yaklaştırmalar yapmak mecburiyetinde kalınır. Bunun nedeni, kuantum parçacıkların birbirleri ile bağlantılı olmaları ve ayrı ayrı tanımlanamamalarıdır.

Viyana Üniversitesi'nden Kaspar Sakmann ve Stanford Üniversitesi'nden Mark Kasevich, geçtiğimiz günlerde Nature Physics dergisinde yayımladıkları makalelerinde bu sorunun üstesinden gelinebileceğini gösterdi. Ekip, ancak ve ancak çok sayıda atomun arasındaki kuantum bağlaşıklıklar cinsinden açıklanabilecek olan ultra-soğuk atom bulutlarındaki etkileri hesaplamayı başardı. Bu tür atom bulutları Bose-Einstein yoğuşuk maddesi olarak bilinir ve aktif bir araştırma alanıdır.

Kuantum Bağlaşıklıklar

Kuantum fiziği bir şans ve rastgelelik oyunudur. Başlangıçta soğuk bir atom bulutundaki atomlar önceden belirlenmiş konumlara sahip değildir. Havada takla atan bir tavla zarının hangi sayıyı vereceğinin belirlenmemiş olması gibi, atomlar aynı anda olası tüm konumlarda birden bulunur. Ölçüm yapıldığı anda ise konumları sabitlenir. "Atom bulutuna ışık tutuyoruz ve ışık atomlar tarafından soğuruluyor. Atomların fotoğrafı çekilmiş oluyor ve konumlarını belirleyen şey de bu oluyor. Sonuç bütünüyle rastgele," diyor Sakmann.

Bununla beraber, kuantum rastgelelik ile zar atmak arasında önemli bir fark var: Aynı anda atılan iki zarın birbirinden bağımsız olduğu düşünülebilir. Birinci zarın 6 gelip gelmemesi, yedinci zarın sonucunu etkilemez. Öte yandan atom bulutundaki atomlar kuantum fiziksel olarak bağlıdır. Onları teker teker analiz etmek anlamsızdır; hepsi birlikte tek bir büyük kuantum nesnedir. Bu nedenle herbir atomun her konum ölçümü, matematiksel olarak karmaşık bir şekilde tüm diğer atomların konumlarına bağlıdır.

"Bir parçacığın belli bir konumda bulunma olasılığını belirlemek güç değil. Olasılık bulutun merkezinde en yüksektir ve dış uçlara doğru yavaş yavaş azalır," diyor Sakmann. Klasik olarak rastgele olan bir sistemde gereken tüm bilgi budur. Eğer bir zar atıldığında herhangi bir yüzün gelme olasılığının altıda bir olduğunu biliyorsak, üç zar ile üç tane 1 atmanın olasılığını belirleyebiliriz. Arka arkaya beş kez bir atsak bile, bir sonraki sefer için olasılık aynı olur. Kuantum parçacıklar söz konusu olduğunda ise durum daha karmaşıktır.

"Bu problemi adım adım çözdük. Önce birinci parçacığın belli bir konumda ölçülme olasılığını hesapladık. İkinci parçacığın olasılık dağılımı, birinci parçacığın nerede bulunduğuna bağlı olur. Üçüncü parçacığın konumu da ilk ikisininkine bağlı olur ve bu böyle devam eder," şeklinde açıklıyor Sakmann. En sonuncu parçacığın konumunu tanımlayabilmek için tüm diğer konumların biliniyor olması gerekir. Bu kuantum dolaşıklık, problemi matematiksel açıdan aşırı güçleştirir.

Deneysel Veriyi Ancak Kuantum Bağlaşıklıklar Açıklayabilir

Ama çok sayıda parçacık arasındaki bu bağlaşıklıklar (örneğin çarpışan Bose-Einstein yoğuşuk maddelerinin davranışını hesaplamak söz konusu olduğunda) son derece önemlidir. "Deney, böyle çarpışmaların çok özel bir tür kuantum dalgaya yol açabileceğini gösteriyor. Bazı belirli konumlarda çok sayıda parçacık buluyoruz; bunların tam dibindeki bir konumda ise tek bir parçacık bile olmayabiliyor. Eğer atomları ayrı ayrı düşünürsek, bu açıklanamaz. Ancak eğer kuantum dağılımın tamamını hesaba katarsak, bu dalgalar hesaplamalarımızla tekrar üretilebilir," diyor Sakmann.

Ayrıca aynı yöntemle başka görüngüler de hesaplanıyor. Örneğin bir lazer ışınıyla karıştırılarak ufak girdaplar (bir başka tipik kuantum çok parçacık etkisi) oluşturulan Bose-Einstein yoğuşuk maddelerinin hesaplamaları yapılabiliyor. "Elde ettiğimiz sonuçlar bu bağlaşıklıkların ne kadar önemli oldunu gösteriyor. Tüm matematiksel zorluklara rağmen onları kuantum hesaplamalara dahil etmek mümkün," diye ekliyor Sakmann. Birkaç ufak değişiklikle ileride bu yaklaşımın farklı kuantum sistemlere de uygulanabileceği umuluyor.

 

---

Kaynak: Viyana Üniversitesi, "Solving Hard Quantum Problems: Everything is Connected"
< https://www.tuwien.ac.at/en/news/news_detail/article/9905/ >

Referans Makale: Kaspar Sakmann et al. Single-shot simulations of dynamic quantum many-body systems, Nature Physics (2016).
< http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3631.html >

---