Kuantum süperpozisyonda (durumların üst üste binmesi halinde) bir kuantum nesne aynı anda birbiriyle bağdaşmayan iki durumda birden bulunabilir. Bunun en ünlü örneği Schrödinger'in hem canlı hem de ölü olan kedisidir. Geçtiğimiz günlerde yapılan bir çalışma, süperpozisyonda durumların bağdaşmaz olmakla kalmayıp, olay sıralamasının da bağdaşmaz olabileceğini gösterdi.

Biz genellikle olayların belli bir kronolojik sıralama içinde gerçekleştiğini düşünürüz. Önce A olayı olur, ardından ve onun neden olması sonucu B olayı olur, diye düşünürüz. Ancak kimi kuantum süreçlerde olaylar tek bir belirlli sıralama ile gerçekleşmez; iki farklı sıralama (önce A sonra B ve önce B sonra A) aynı anda olmaktadır. Sağduyuya aykırı bu süperpozisyon benzeri görüngü "nedensel ayrılamazlık" (İng.causal nonseparability) olarak adlandırılır.

"Günlük hayatta birşeyin ardından diğer şeyi deneyimlemeye, nedenlerini izleyen etkilere alışkınız. O yüzden doğanın derinliklerinde işlerin böyle yürümediğini fark etmek biraz tedirgin edici. Olaylar belli bir nedensellik sıralaması olmadan oluyor; dolayısıyla hangisinin sebep hangisinin sonuç olduğunu söyleyemiyoruz," diyor Viyana Kuantum Optik ve Kuantum Bilgi Enstitüsü'nden Mateus Araújo.

Şimdiye dek, kuantum mekaniğindeki nedensel ayrılamazlık sadece çok soyut bir yönden düşünülmüştü ve herhangi bir açık fiziksel yorumdan yoksundu. Bulguları New Journal of Physics dergisinde yayımlanan makale ile paylaşılan bu son çalışma sayesinde, Araújo ve ekibi tarafından nedensel ayrılamazlık sergileyen fiziksel bir kuantum süreç örneği tanımlanmış oldu.

"Görelilik kuramı zaten mutlak, küresel bir zaman olması fikrini çoktan sarsmış durumdaydı. Zamanın akışını ve zamansal ilişkileri herkes aynı şekilde deneyimlemiyor. Farklı referans çerçevelerinde bulunan farklı gözlemciler, hangi olayın önce hangisinin sonra olduğu konusunda anlaşmazlığa düşüyorlar örneğin," diyor Fransa Grenoble Alpes Üniversitesi'nden Cyril Branciard.

"Öte yandan kuantum kuramı, fiziksel sistemlerin iyi-tanımlı özelliklere sahip olmayabileceğini ve bağdaşmaz durumların süperpozisyonu halinde bulunabileceğini söyleyerek gerçekliği kavrayışımızı sarstı. Örneğin bir kedi hem canlı hem de ölü olabiliyordu. Şimdi de gördük ki, sadece fiziksel özellikler değil, nedensel ilişkiler de (nedensel sıralamalar da) tanımsız olabilir ve bir nevi süperpozisyon halinde bulunabilir. Bu görüngü şimdiye dek deneysel olarak gözlenememişti," şeklinde devam ediyor Branciard.

Kuantum Düğme

Fizikçilerin incelediği ve yakın zamanda kuantum bilgisayarların verimini arttırabilecek bir yöntem olarak önerilen nedensel ayrılamazlık sergileyen kuantum sürece "kuantum düğme" adı veriliyor. Yeni çalışmada fizikçiler, nedensel ayrılamazlık için bir test ortaya koyuyor. Bu testin kuantum dolaşıklık testlerine benzediğini belirtiyorlar. Her iki sınama yönteminde de, eğer tüm işlemler "klasik" yolla (yani nedensel ayrılamazlık sınamasında sadece nedensel ayrılabilir kaynaklar ve dolaşıklık sınamasında da dolaşık olmayan durumlar kullanılarak) gerçekleştirilirse belli bir aralıkta değerler üretiliyor, öyle olmazsa başka aralıkta değerler üretiliyor.

Ekip geliştirdikleri yeni test sayesinde sadece kuantum düğmenin nedensel ayrılamazlığını algılamakla kalmayıp, herhangi bir nedensel ayrılamaz süreci de algılayabileceklerini gösterdi. Dolayısıyla gelecekte deneysel olarak kurulabilecek başka sistemlerdeki nedensel ayrılamazlığın saptanmasında da bu sınama yöntemi işe yarayacak.

Araştırmacıların yaptığı açıklamaya göre, kuantum düğmenin nedensel ayrılamaz olması (işlemlerin belirli bir sıra izlememesi), her türlü nedensel eşitsizliği (geçmişteki bir olayın nedeninin, gelecekteki bir olay olamaması) ihlal ettiği anlamına gelmiyor. Çünkü kuantum düğmede belirli bir geçmiş ve gelecek kavramı yok; üstelik de bir olayın diğerinden önce mi sonra mı olduğu belirli değil. Kuantum düğme herhangi bir nedensel eşitsizliği ihlal etmiyor olsa da, herhangi bir fiziksel sürecin deneysel olarak bunu yapıp yapamayacağı sorusu yanıt bekliyor.

Nedensel Ayrılamaz Hesaplama

Daha önce yapılan araştırmalar kuantum düğmenin, standart nedensel ayrılabilir protokollere kıyasla, hesaplama açısından avantajları olduğunu göstermişti. Bu da nedensel ayrılamazlığın kuantum bilgisayarlarda uygulama alanı bulabileceğine işaret ediyor.

"Kuantum bilgisayarlar (veya kuantum bilgi işleme görevi yerine getiren herhangi bir cihaz) üzerinde yapılan araştırmalarda tipik olarak yaptıkları işlemlerin belirli bir sırada gerçekleşmekte olduğu varsayılmıştır. Bu örneğin kuantum hesaplamanın standart devre modelinin temel varsayımıdır. O yüzden kuantum bilgisayarların gücü hakkında (çözebilecekleri problem türleri, verimleri ve çalıştırabilecekleri algoritmaların karmaşıklığı gibi konularda) elde edilen sonuçların neredeyse hepsi, sadece nedensel ayrılabilir kaynaklar için geçerli olabilir. Kuantum kuramının nedensel ayrılamaz kaynaklara (örneğin kuantum düğme gibi) izin veriyor olduğu gerçeği yeni olasılıklara kapı aralıyor. Bazı görevlerin yerine getirilmesinde nedensel ayrılamaz kaynakların, nedensel ayrılabilir olanlardan daha üstün performans göstermesini beklemek doğal," diyor Branciard.

Böyle bir görev daha önce fizikçi Giulio Chiribella tarafından önerilmişti ve belli bir süreçteki işlemlerin sırasının önemli olup olmadığı ile ilgiliydi: Önce A sonra B yapıldığında çıkan sonuç, önce B sonra A yapıldığında çıkanla aynı olur mu? Eğer sonuç aynı ise işlemlerin sıra değiştirebilir (komüt edebilir) olduğu söylenir.

Soruyu yanıtlamak için nedensel ayrılabilir bir sürecin hem "önce A sonra B" hem de "önce B sonra A" sıralamasında süreci gerçekleştirip, sonuçları karşılaştırması gerekir. Öte yandan kuantum düğme gibi nedensel ayrılamaz bir süreç her iki sıralama şeklini de aynı anda gerçekleştirerek, problemi tek adımda çözer. Ayrılamaz süreçler daha verimli olmakla kalmayıp, bazı durumlarda problemi çözebilmek için zorunlu duruma da gelebilir. Örneğin kuantum işlemleri gerçekleştirmede kullanılan "kara kutular" tek kullanımlık (bir kullanımdan sonra yok olan türde) olabilir ve işlemin tek bir gerçekleştirilme şansı olabilir.

Kuantum düğme nedensel ayrılamazlığın en basit örneği olduğundan, fizikçiler başka tür nedensel ayrılamaz süreçlerin daha güçlü avantajlara sahip olabileceğini umuyor. Branciard şöyle diyor: "Nedensel ayrılamazlığın gücü henüz keşfedilmeyi bekliyor. Bu da araştırma alanımızı özellikle heyecan verici duruma getiriyor!"

 

---

Kaynak: Phys.org, "Quantum process demonstrates superposition of ordered events"
< http://phys.org/news/2015-11-quantum-superposition-events.html >

Referans: Mateus Araújo, et al. "Witnessing causal nonseparability." New Journal of Physics. DOI: 10.1088/1367-2630/17/10/102001
< http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/17/10/102001 >

---