Bir sarı ışık demetinin pencereden içeri süzüldüğünü hayal edin. Kuantum fiziği; ışının, foton adı verilen zilyonlarca minik ışık paketlerinden oluştuğunu söyler. Fakat tek bir foton neye benzer? Bir şekli var mıdır? Hatta bu soruların bir anlamı var mıdır?

Polonyalı fizikçiler, tek bir foton parçacığına ait ilk hologramı oluşturmayı başardılar. İki kesişen ışının girişim desenini gözlemleyerek elde edilen bu beceri, ışığın temel kuantum doğasına önemli bir bakış açısı kazandırıyor. Sonuçlar ayrıca kuantum iletişim ve kuantum bilgi işlem gibi, fotonların şeklinin anlaşılmasını gerektiren teknolojiler açısından da önemli olabilir.

Nature Photonics dergisinde yayımlanan makalenin başyazarı ve Varşova Üniversitesi’nden fizikçi Radoslaw Chrapkiewicz; “Gözlenmesi inanılmaz derecede zor olan bir şeyi ölçmek ve görüntülemek için, oldukça basit bir deney gerçekleştirdik: Tek bir fotonun dalga cephesinin biçimi” diye açıklıyor.

Yüzlerce yıl boyunca, fizikçiler ışığın neyden yapıldığını anlamaya çalıştılar. 19. yüzyılda, tartışma, İskoç fizikçi James Clerk Maxwell’in ışığın elektromanyetik dalgalardan oluştuğunu açıklamasıyla sona ermiş gibiydi. Fakat 20. yüzyılın başlarında işler biraz karışmaya başladı. Alman fizikçi Max Planck ve yurttaşı Albert Einstein ışığın foton adı verilen, bölünemez parçacıklardan oluştuğunu gösterdi. 1920’li yıllarda Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger, bir dalganın nasıl göründüğünü açıklayabilmek için, kuantum dalga fonksiyonları için kendi denklemini ortaya koydu. Schrödinger denklemi adı verilen bu denklemin, fotonların kullanıldığı deneylerin sonuçlarını öngörmekte oldukça kullanışlı olduğu ortaya konuldu. Fakat Schrödinger’in teorisinin başarısına rağmen, fizikçiler hala dalga fonksiyonunun ne olduğu üzerine tartışıyorlar.

Yakın zamanda, Varşova Üniversitesi’ndeki fizikçiler, ilk defa gerçek bir deneyde Schrödinger denklemi ile tanımlanan biçimi ölçmeyi başardılar. Dalga olarak hareket eden fotonlar stepte bulunabilirler (yani aynı fazda olabilirler). Eğer birbirleriyle etkileşirlerse, parlak bir sinyal üretirler. Eğer faz dışına çıkarlarsa, birbirlerini geçersiz kılabilirler. Bu iki farklı hoparlörden çıkan ses dalgalarının, oda içerisinde gürültülü ve sessiz noktalar meydana getirmesi gibidir. Fotonun hem şekli, hem de fazı hakkında bilgi içerdiği için hologram olarak adlandırılan görüntü, kalsit kristalinden yapılmış bir ışın bölücüye aynı anda iki ışık ışını gönderilmesiyle elde edildi. Işın bölücü, bir trafik kavşağı gibi davranır. Her bir foton ya dümdüz ilerler ya da dönüş yapar. Polonyalı ekibin deneyi, fotonların dalga fonksiyonlarının şekline bağlı olarak, her bir fotonun hangi yolu seçtiğine dayanıyor.

Bir foton için tek başına, her iki yol da eşit derecede olasıdır. Fakat iki foton kavşağa yaklaştığında birbirleriyle etkileşir ve olasılıklar değişir. Ekip, eğer fotonlardan birinin dalga fonksiyonunu bilirlerse, ikinci fotonun şeklini detektör üzerindeki parıltıların konumlarından elde edebileceklerini fark ettiler. Bu biraz, iki merminin ateşlenip birbirlerini sıyırarak geçmesi ve sapmış uçuş yollarını kullanarak her bir merminin şeklinin belirlenmesine benzer. Deneyin her bir yürütülmesinde, detektör üzerinde, her biri bir foton için olmak üzere iki parıltı gözlendi. Yaklaşık 2000 tekrarın ardından, parıltıların deseni ortaya çıktı ve ekip bilinmeyen fotonun dalga boyunun biçimini yeniden oluşturabildi. Son çıkan şekil Malta Haçı’na benziyordu, tıpkı Schrödinger denkleminden elde edilen dalga fonksiyonu gibi. Haçın kollarında, fotonlar aynı fazda bulunuyor, böylelikle görüntü daha parlak oluyor. Aynı fazda olmadıklarında ise karanlık görüyoruz.

Deney bizi, dalga fonksiyonunun gerçekte ne olduğunu anlamaya bir adım daha yaklaştırıyor ve kuantum bilgi işlem ve kuantum iletişim gibi teknolojilerde, iki foton arasındaki etkileşimi araştırmak için yeni bir araç olarak kullanılabilir. Araştırmacılar ayrıca, atomlar gibi daha karmaşık kuantum nesnelerinin dalga fonksiyonlarını da oluşturabilmeyi umuyor.