Geçtiğimiz birkaç yıl süresince, fizikçiler kuantum sistemlerinin işleyişini hızlandırmak için kuantum kısayolları geliştirdiler. Şaşırtıcı bir biçimde, bu kısayolların bir kısmı, teorik olarak fazladan enerji kullanmadan sistemlerin neredeyse anında işlem yapabilmesine olanak tanıyor. Bu da termodinamiğin ikinci yasasına açıkça bir aykırılık teşkil ediyor. Fizikçilerin yolunda gitmeyen bir şeyler olduğunu bilmesine rağmen, şimdiye kadar bu çıkmazı ortadan kaldıracak çözüm aydınlatılamamıştı.

Yeni yapılan bir çalışmada, fizikçiler bu kuantum kısayollarının, hız ile maliyet arasında bir tür takas konusu olduğunu gösterdiler. Yani bir kuantum sistemi ne kadar hızlı olursa, kısayolu meydana getirmek için gereken enerji maliyeti o kadar artıyor. Termodinamik yasalarıyla uyum göstererek, sonsuz derecede hız imkansız hale geliyor, çünkü bu sonsuz miktarda enerji gerektiriyor.

Birleşik Krallık’taki Belfast Queen’s Üniversitesi’nden Steve Campbell ve ABD’deki Maryland Baltimore County Üniversitesi’nden Sebastian Deffner, kuantum kısayollarındaki enerji ve hız arasındaki takas üzerine yazdıkları makalelerini, Physical Review Letters dergisinin son sayısında yayınladılar.

“Son yıllarda kuantum sistemleri kontrol etmek için geliştirilen ve adyabatik durum kısayolları (STA) adı verilen yöntemler enerji kullanmıyor gibi görünüyor ve daha da ilginci neredeyse yok denecek kadar kısa sürelerde gerçekleştirilemiyor olmaları hakkında da söylenecek bir şey yok. Bu konu hakkında doğru gelmeyen bir takım düşünceler, bu teknikler uygulandığında neler olduğunu daha detaylı ele almamıza yol açtı” diye anlatıyor Campbell.

Bunu gerçekleştirmek için, bilim insanları Heisenberg’in belirsizlik ilkesinden kaynaklanan ve bir kuantum sisteminin çalışabileceği en üst hız limiti olan kuantum hız limitini uyguladılar. Kuantum hız limiti bu temel ilkenin bir sonucu olduğu için, bütün STA’lar için geçerli olmak zorundaydı ve böylelikle sistemlerin gelişigüzel kısa zamanlarda çalışmasını engellemesi gerekirdi.

“Kuantum hız limitini hesaplayarak; bir sistemin STA kullanarak ne kadar hızlı çalışmasını isterseniz, bunun termodinamik maliyetinin o kadar yüksek olabileceğini gösterdik. Dahası sistemin anında işlemesi imkânsız hale gelir, çünkü bu sisteme vermeniz gereken enerjinin sonsuz olmasını gerektirir” diye açıklıyor Campbell.

Araştırmacıların açıkladığı gibi, sonuçlar pek şaşırtıcı değil, sadece fark edilmeleri biraz zaman aldı.

“Bence bu , ‘bir şey doğru olamayacak kadar iyiyse, genellikle zaten doğru değildir’ vakalarından bir tanesi. Muhtemelen topluluk içerisinde, birisinin maliyeti ölçmesi gerektiğine dair genel bir kanı vardı. Bunu da ilk yapan biz olduk” diye anlatıyor Deffner.

Bu takasın kullanışlılığını gösterebilmek için, fizikçiler bunu iki gerçek sisteme uyguladılar. Bunların ilki kendine kuantum termodinamiğinin test edilmesi dahil, çok geniş ölçekte kullanım alanı bulan harmonik osilatörlerdi. İkincisi ise, D-Wave’in kuantum bilgisayarında kullanıldığı gibi, adyabatik kuantum bilgi işlemde kendisine uygulama alanı bulan Landau-Zener modeliydi.

Her iki modelde de; takas mekanizması STA’ların bu sistemlere teklif ettiği üst düzey hızlara, pratikte limit koydu. Araştırmacılar, bu hız sınırlamalarının, mevcut sistemlerin ve gelecekteki kuantum sistemlerinin tasarımı ve oluşturulmasında rehberlik edeceğini umuyorlar.

“Geliştirilmiş diğer STA tekniklerini incelemeyi ve bunlarda da benzer takas mekanizmalarını bulup bulamayacağımızı öğrenmeyi arzu ediyoruz. Bir diğer önemli adım ise, çalışmamızı Dirac malzemeleri veya lineer olmayan sistemler gibi standart dışı kuantum mekaniği uygulamalarına doğru genelleştirmek olacak” diye anlatıyor Deffner.

 

---

Kaynak: Quantum shortcuts cannot bypass the laws of thermodynamics < https://phys.org/news/2017-03-quantum-shortcuts-bypass-laws-thermodynamics.html
Referans: Trade-Off Between Speed and Cost in Shortcuts to Adiabaticity < http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.100601

---