Kaliforniya Üniversitesi Santa Barbara Kampüsü (UCSB) araştırmacıları, üç adet süperiletken kubitten oluşan küçük bir kuantum sistemi kullanarak Google desteğiyle yaptıkları çalışma sonucunda, klasik fizik ile kuantum fiziğinin ilgisiz oldukları düşünülen iki görüngüsü arasında bir bağlantı açığa çıkardı: Klasik kaos ve kuantum dolaşıklık. Ekibin kaos ve dolaşıklık arasındaki ilişki hakkında elde ettiği bulgular, kontrol edilebilir kuantum sistemler kullanarak doğanın bazı temel özelliklerini araştırmanın mümkün olabileceğine işaret ediyor.

"Bu oldukça şaşırtıcı çünkü kaos bütünüyle klasik bir olgudur. Bir kuantum sisteminde kaosa ilişkin herhangi bir şeye rastlanmaz. Benzer biçimde, klasik sistemlerde dolaşıklık diye bir şey olmaz. Buna rağmen, kaos ve dolaşıklık arasında son derece güçlü ve açık bir ilişki olduğu ortaya çıktı," diyor UCSB Fizik Bölümü'nden Charles Neill.

15.yüzyıldan başlayarak, klasik fizik genel olarak atom ve moleküllerden daha büyük sistemleri tanımlamış ve incelemiştir. Yüzlerce yıllık bir çabanın ürünü olarak Newton'un hareket yasalarını, elektrodinamiği, göreliliği, termodinamiği ve aşırı duyarlı olmaları nedeniyle öngörülemeyen sistemlerin davranışını konu alan kaos kuramını kapsar. Bu kuramın uygulama alanlarından biri de hava durumudur. Sistemin herhangi bir yerindeki çok küçük bir değişim, tüm öngörüleri boşa çıkarmaya yetebilir; dolayısıyla hiçbir zaman uzun süreli hava tahmini yapılamaz.

Doğadaki daha küçük ölçekli yapılarda, örneğin atom ve fotonların davranışı konusunda, klasik fizik yetersiz kalır. 20.yüzyılın başında beliren kuantum fiziği, her ne kadar gündelik yaşamdan aşina olduğumuz sezgilere ters düşen kavramlardan (bir parçacığın aynı anda birden fazl yerde olabileceği süperpozisyon ya da parçacıkların aralarındaki uzaklıktan bağımsız olarak anlık haberleşebildiği dolaşıklık gibi) söz etse de, işe yaradığı yadsınamaz.

Dolayısıyla, fiziğin bu iki ayrı alanı arasında, baştan beri ne tür bağlantılar olabileceği araştırılmıştır. Neill'in dediği gibi, sonuçta tüm sistemler temel olarak kuantum sistemlerdir; fakat örneğin boş bir odadaki hava moleküllerinin kaotik davranışını kuantumsal açıdan tanımlama yolları sınırlı kalır.

UCSB/Google araştırmacısı Pedram Roushan düşünsel bir örnek veriyor: Hava molekülleri ile dolu bir balon olsun. Balondaki molekülleri bir şekilde etiketleyerek görebildiğimizi hayal edelim ve onları hiç hava molekülü olmayan bir odaya salalım. Olasılıklardan biri, hava moleküllerinin odada küçük bir bulut gibi kümeleşmiş şekilde aynı yolu izlemeleridir. Ama tahmin edilebileceği gibi, moleküllerin farklı hızlar ile farklı yönlere dağılmaları daha olasıdır. Duvarlara ve birbirlerine çarparak, odaya yeterince dağıldıktan sonra durağanlaşacaklardır.

"Aslında bunun temelinde yatan fizik kaostur. Moleküllerin, en azından makroskobik ölçekte durağanlaşması termalizasyon (sistem içinde homojen yoğunluk sağlandıktan sonra erişilen denge) sonucunda olur. Fakat kuantum fiziğinin sonsuz küçükler dünyasında, bu davranışı tanımlayacak çok az şey vardır. Kuantum mekaniğinin matematiği, Newton hareket yasaları tarafından tanımlanan kaosa izin vermez," diyor Roushan.

Bağlantının Kökeninde Termalizasyon mu Var?

Konuyu araştırmak için ekip üç kuantum bit (kuantum bilgisayarların temel hesaplama birimi) kullanan bir deney tasarladı. İki olası durumdan (sıfır veya bir) birini alabilen klasik bilgisayar birlerinden farklı olarak, bir kubit her iki durumun süperpozisyonunda da (hem sıfır hem bir) tek bir durum olarak bulunabilir. Ayrıca, çok sayoda kubit dolaşıklaşabilir; yani ölçümleri otomatik bir bağlaşıklık durumuna girebilir. Bu kubitleri elektronik atımlar ile manipüle ederek, Neill aşırı duyarlı bir klasik sistemin benzeri içinde onların etkileşmesini, dönmesini ve değişmesini sağladı.

Sonuçta elde ettiği şey, bir kubitin zaman içinde klasik dinamiğe çok benzer duruma gelen dolaşıklık entropisinin haritasıydı. Kuantum haritasındaki dolaşıklık bölgeleri, klasik haritadaki kaos bölgelerine benziyordu. Kuantum haritasındaki düşük dolaşıklık adacıkları, klasik haritadaki düşük kaos bölgeleri ile aynı yerdeydi. Belli ki kaos ve dolaşıklık arasında bir ilişki vardı.

"Bu iki resimde, dolaşıklık ile kaos arasında çok açık bir bağlantı görülüyor. Anladığımız kadarıyla, kaos ve dolaşıklık arasındaki bağlantıyı oluşturan şey de termalizasyon. Onlar termalizasyona neden olan güçler. Şunun farkına vardık ki, kuantum bilgisayarlar da dahil olmak üzere neredeyse tüm kuantum sistemlerde, eğer sistemi değişmeye bırakıp zamanın fonksiyonu olarak ne olduğunu incelerseniz, termalize oluyor," diyerek, kuantum düzeyindeki dengeye işaret ediyor Neill. "İşte bu da klasik termalizasyon ve kaos ile dolaşık sistemlerde bunun nasıl meydana geldiği arasında sezgisel bağı kuruyor."

Araştırmadan elde edilen bulguların kuantum hesaplama konusunda işaret ettiği temel gerçekler var. Üç kubit düzeyinde hesaplama oldukça basit; ancak araştırmacılar karmaşık problemleri çözmek için giderek artan sayıda kubit kullanmaya çalışıyor. Böyle hesaplamalar için uygun biçimde yapılandırılacak bir kuantum işlemci için araştırmanın yardımcı olması umuluyor.