Önünüzde düzgünce sıralanmış bir dizi domino taşı bulunsun. Sıradaki ilk taşı devirmek için parmağınızla hafifçe dokunuyorsunuz. Domino taşı düşüyor ve kendisinden sonra gelen taşa çarpıyor ve o taş da devriliyor ve bu böyle devam ederek bir dalga etkisi yaratıyor ve son taş da devrilene kadar sürüyor.

Devrilen domino taşları bilimin ve günlük yaşamın en köklü kavramlarından birini gözler önüne serer: Nedensellik. B olayı (son domino taşının devrilişi), A olayı (ilk domino taşının devrilişi) nedeniyle gerçekleşir. B, sadece A gerçekleşirse gerçekleşir ve A’nın gerçekleşmesi ise B’den bağımsızdır.

Fakat günlük yaşamın bu basit nedensel yapısı, kuantum diyarına geçtiğinizde yıkılabilir. Son zamanlarda yapılan bir çalışma, nedensel ilişkilerin de kuantum süperpozisyon halinde olabileceğini açığa çıkarıyor. Yani A olayı B’yi, B olayı da A’yı etkiliyor. Diğer bir deyişle, son kuantum domino taşının devrilişinin, ilk taşın devrilişin nedeni mi, sonucu mu olduğu söylenemiyor. Kuantum dünyasındaki yeni gelişen belirsiz nedensellik (İng. indefinite causality) konusu, kuantum fiziğinin ve genel göreliliğin teorik temellerine yeni bakış açıları kazandırabilir.

Kuantum Anahtarlama

Nedensel ilişkiler, iletişim halinde olan birimler söz konusu olduğunda operasyonel bir anlam kazanır. Birimlerden biri, farz edelim ki adı Alice olsun, ilk domino taşını düşürmek için yaptığı özgür seçimle, son domino taşının olduğu yerdeki bir diğer birime (adı Bob olsun) bir sinyal gönderebilir. Bu iki birim, laboratuvarlarını birbirine bağlayan teller üzerinden kuantum bitleri alışverişi yaparak iletişim kurabilir. Bir birimin, bir kübit üzerindeki eylemi bir olay tanımlar. Belirli nedensel yapıda, yani her iki olayın zamansal ve uzamsal olarak ayrı olduğu bir yapıda, Alice’in A olayı, Bob’un laboratuvarındaki B olayının hem nedeni hem de sonucudur; aksi takdirde bu iki olay birbirinden bağımsızdır.

2009 yılında Giulio Chiribella ve çalışma arkadaşları, tellerin, süperpozisyon haline girebilecek kuantum sistemleri olduğunu ele alan bir öneride bulundular. Böylesi bir düzenek, kübitler üzerinde uygulanan işlemlerin sırasını tutarlı bir şekilde değiştirmeye olanak sağlayabilir. Eğer tel, Alice’in laboratuvarındaki çıktı ile Bob’un laboratuvarının girdisini birleştiriyorsa, o halde B olayı A’dan önce meydana gelir (Şekil 1’e bakın). Son olarak kuantum süperpozisyon durumunda iki telden oluşan bir konfigürasyon hazırlanırsa, “kuantum anahtarı” adını verdiğimiz, “A’nın B’ye neden oluşu” ve “B’nin A’ya neden oluşu” durumlarının süperpozisyonu fark edilebilir. Böylesi bir düzenek, bazı av-avcı ilişkilerine benzer; yani avcı sayısı avların sayısını etkiler, avların sayısı da aynı zamanda avcıların sayısını etkiler. 2012 yılında Ognyan Oreshkov, Fabio Costa ve Časlav Brukner tarafından yürütülen bir diğer çalışma ise, kuantum anahtarlamanın, A olayının B’nin nedeni veya sonucu olduğunun veya bu iki olayın bağımsız olduğunun belirli olmadığı, belirsiz nedensel yapının bir örneği olduğu sonucunu ortaya koydu.

Doğada gerçek bir belirsiz nedensel yapıda olaylar görebilmek için başka nerelere bakmamız gerekiyor? Bu sorunun, ele alınması aşırı derecede zor olduğu kanıtlanmış durumda. Eğrisel uzay-zamanda kuantum alan kuramı dahil, bütün sağlam temelli kuramlarımızda, olaylar arasındaki nedensel sıralama, olayların geçmiş ışık konilerinin uzay benzeri hiper yüzeyindeki madde-enerji dağılımı tarafından belirlenir. Bununla birlikte, fizikçiler belirli nedensel yapılar kavramının, kütleçekim ve dolayısıyla olaylar arasındaki metrik alan ve uzay-zamansal mesafelerin, kuantum mekanik yasalara tâbi olduğu bir kuramda savunulabileceği konusunda kuşku duyuyor. Son olarak, 2005 yılında Lucien Hardy, nedensel yapının kuantum kuramından dolayı, hem genel görelilikte olduğu gibi dinamik, hem de belirsiz olduğunu önerdi.

Kütle Çekimi Olaya Dahil Etmek

Časlav Brukner ve çalışma arkadaşları tarafından arXiv platformunda yayımlanan bir çalışmada, uzay benzeri bir yüzeyde madde-enerji dağılımını alarak ve bunları bir kuantum durumu içerisinde hazırlayarak, kuantum anahtarlamaya benzer şekilde bir olay sırasının meydana gelebileceğini gösterdiler. Buradaki fikir, kütleçekimsel zaman daralmasına dayanıyordu. Kütleçekimsel zaman daralması, kütleçekim uygulayan bir nesneden farklı uzaklıklarda bulunan gözlemcilerin, geçen zaman üzerinde yaptıkları ölçümlerin farklı olması olayıdır. Saat, kütleçekim kaynağına ne kadar yakınsa, zaman o kadar yavaş akar.

Farz edelim ki; düz bir uzay-zamanda birbirlerinden ayrılmış olan Alice ve Bob’un laboratuvarlarındaki saatler, öğleden önce 9:55’te senkronize edilmiş olsun. Sonra yerel zamanla 10:00’da hem Alice (A olayı), hem de Bob (B olayı) bir kübit üzerinde bir işlemde bulunsun. İki olay da uzayda birbirlerinden ayrı olduğundan, Alice ve Bob aralarında sinyal değiş-tokuşu yapamazlar (Şekil 2’ye bakın). Şimdi senaryomuza Bob’un laboratuvarına daha yakın olacak şekilde bir kütleçekim kaynağı ilave ediyoruz. Yeterli bir zaman daralmasının ardından, A olayı B’nin nedensel geçmişinde yer alacaktır; çünkü Alice’in müdahalede bulunduğu kübit, olayın yerel zamanla hala 10:00’da gerçekleştiği Bob’un laboratuvarına iletilecektir (fakat Alice’in saatine göre 10:12 olacaktır; Şekil 2’de ortadaki kısma bakın). İki olay zamansal açıdan ayrı hale gelir ve Alice Bob’a sinyal gönderebilir. Bu iki olayı, kütleçekim kaynağının Alice’in laboratuvarına daha yakın yerleştirildiği durumda tekrar ele alabiliriz. Bu senaryoda, B olayı, A’nın nedensel geçmişinde yer alır (Şekil 2’de sağdaki kısma bakın). Son olarak, kütleçekim kaynağını her iki konumda birden yer alacak şekilde süperpozisyon halinde yerleştirebiliriz, böylelikle kuantum anahtarlamadaki gibi,  “A’nın B’ye neden oluşu” ve “B’nin A’ya neden oluşu” durumlarının süperpozisyonunu elde edebiliriz.

Kuantum bilgi araştırmalarının ana hedefi, bilginin klasik olarak mümkün olanın ötesindeki koşullarda işlenebileceği yöntemler geliştirmektir. Belirsiz nedensel yapı konsepti halihazırda yeni çözümler sağlamış durumda. 2012 yılında Chiribella ve çalışma arkadaşları, kuantum anahtarlamadan faydalanan algoritmaların, mantıksal kapıların sabit bir düzende olduğu bir kuantum devresiyle çözülemediği belirli problemleri çözebildiğini gösterdiler. Birbirleriyle yer değiştirebilen veya değiştiremeyen (yani AB = ± BA olduğu, eğer AB = BA ise bu birimlerin yer değiştirebildiği, eğer AB = -BA ise bu da birimlerin yer değiştiremediği anlamına gelir)  iki birim A ve B’yi temsil eden bir çift kutuyu birbirinden ayırt etme görevi buna bir örnek olarak verilebilir. Bir kuantum anahtar algoritması her kutuyu tek bir defa sorgular; fakat görevi standart içerisinde ele alan nedensel devre modeli, birimlerden en az birinin kaçınılmaz bir şekilde iki kere kullanılmasını gerektirir. Nedensel olmayan kuantum bilgi işlemin getirdiği avantaj, problemin boyutuyla orantılıdır.

Kuantum nedensellik alanında faaliyet gösteren araştırmacılar, kuantum bilgi, bilgisayar bilimleri ve genel görelilikteki kavramlar ve fikirleri bir araya getirerek, kuantum yeniliklerini nedensellik ve zaman kavramlarına götürürler. Kuantum bilginin yöntembilimi, kara delik bilgi paradoksu ve AdS/CFT iletişimi gibi konular dahil, temel fiziğe dair anlayışımızda yeni kapılar aralamış durumda. Neden ve sonucun tuhaflıklarını araştırmak için bu yöntembilimden faydalanmak, araştırmacıların kuantum kuramı ile kütleçekimi birleştirme meselesine daha da yaklaşmalarına yardımcı olabilir.