ETH profesörü Jonathan Home ve meslektaşları "sıkıştırılmış Schrödinger kedileri" adını verdikleri nesnelerden üretebilmek için ellerinde ne var ne yoksa ortaya koymuş. Bu kuantum sistemler geleceğin teknolojileri için çok işe yarayabilir.

Kuantum fiziği pek çok ilginç olayla doludur. Erwin Schrödinger'in ünlü düşünce deneyinin başkahramanı olan kediyi hatırlayın, örneğin. Kedi aynı anda hem canlı hem de ölü olabiliyordu. Çünkü hayatta kalması, durumu kuantum mekaniksel olarak belirlenen radyoaktif bir atoma bağlıydı. Durumunu kimse ölçmediği sürece atom tüm olası durumlarda bulunmakta olduğuna göre, atomla bir nevi dolaşıklık ilişkisi içinde olan kedicik de hem canlılık hem ölülük durumlarında bulunmakta olacaktı.

Daha az bilinmesine rağmen en az kedi kadar çarpıcı bir diğer görüngü de sıkıştırılmış kuantum durumlarıdır. Normalde Heisenberg Belirsizlik İlkesi, belirli fiziksel nicelik çifti ölçümlerinin yapılamayacağını belirtir. Örneğin bir kuantum parçacığın aynı anda hem konumu hem de hızı kesin olarak ölçülemez. Bununla birlikte doğa takas usülüne izin vermiştir: Eğer parçacık uygun bir şekilde hazırlanırsa, niceliklerden birine ilişkin daha az bilgi elde etmeyi kabullenmek koşuluyla, diğer nicelik biraz daha yüksek bir kesinlikle ölçülebilir. Bunun için yapılan hazırlama işlemine "sıkıştırma" denir; çünkü değişkenlerden birindeki belirsizlik sıkıştırılmış, küçültülmüştür.

Schrödinger'in kedisi ve sıkıştırılmış kuantum durumları, geleceğin ileri teknolojilerinin geliştirilmesinde büyük önem taşıyan iki fiziksel fenomendir. ETH araştırmacıları şimdi bu iki olayı tek bir deneyde bir araya getirecek bir düzenek yapılandırmayı başardı.

Sıkıştırma ve kaydırma

Deneysel kuantum optik ve fotonik profesörü Jonathan Home ve meslektaşları laboratuvarlarında, elektrik alan sayesinde oluşturulmuş küçük bir kafeste, elektriksel yüklü tek bir kalsiyum iyonu yakalıyorlar. Lazer ışınları kullanarak iyonu, kafes içinde neredeyse hareketsiz kalana dek soğutuyorlar (kinetik enerjisini düşürüyorlar). Ardından araştırmacılar ellerindeki son koza başvuruyor: Üzerine lazer ışığı göndererek ve enerji durumlarının spontane bozunumunu ustaca kullanarak, iyonun hareket durumunu "sıkıştırıyorlar".

Nihayetinde iyonun (iyonu uzayın bir noktasında bulma olasılığına karşılık gelen) dalga fonksiyonu gerçekten de sıkışmış oluyor. Böylece fizikçiler iyonun uzayın hangi noktasında konumlandığına ilişkin daha iyi bir fikre sahip oluyor. Fakat hızındaki belirsizlik aynı oranda artmış oluyor. "Bu durum sıkışması bizim için önemli. Duruma bağlı kuvvetler adı verilen ikinci bir araçla birlikte kullanarak, artık 'sıkıştırılmış Schrödinger kedisi' üretebiliyoruz," diyor Home.

Bu süreçte iyon bir kez daha lazer ışınlarına maruz bırakılarak, sağa ve sola sapması sağlanıyor. Lazer tarafından indüklenen kuvvetlerin yönü, iyonun iç enerji durumuna bağlı oluyor. Bu enerji durumu yukarı veya aşağı bakan bir ok ile temsil edilerek, "spin" adı veriliyor. Eğer iyon 'yukarı spin' ve 'aşağı spin' durumlarının enerji süperpozisyonu durumunda ise kuvvet hem sağa hem sola etkiyor. Bu şekilde Schrödinger'in kedisine benzeyen tuhaf bir durum yaratılıyor. İyon kendini aynı anda hem sağda hem de solda (hem canlı hem ölü gibi) olmak gibi bir hibrid durumda buluyor. İyon ancak spinini ölçen biri olduğunda sağda ya da solda olmaya karar veriyor.

Kuantum bilgisayarlar için dayanıklı kediler

Prof. Home ve çalışma arkadaşları tarafından hazırlanan Schrödinger kedisi şu açıdan da çok özel: Başlangıçtaki sıkıştırma sol ve sağ iyon durumlarını özellikle kolay ayırt edilebilir kılıyor. Aynı zamanda iki iyon durumu birbirinden çok uzakmışçasına geniş oluyor. Sıkıştırma olmadan bile bu kedi şimdiye kadar üretilenlerin en büyüğü ve sıkıştırma yapıldığında sol ve sağ durumları daha da ayırdedilebilir hâle geliyor. Durumlar, aralarındaki uzaklıktan 60 kat daha dar oluyor.

Bu sadece bilimsel bir rekor olmakla kalmayıp, pratik uygulamaları da bulunuyor. Sıkıştırılmış Schrödinger kedileri, özellikle bazı tür (normalde kedilerin kuantum özelliklerini yitirip sıradan kediler hâline gelmelerine neden olan) rahatsızlıklara karşı dayanıklılar. Bu dayanıklılıktan, örneğin, hesaplama yapmak için kuantum süperpozisyon durumlarını kullanan kuantum bilgisayarlarda yararlanılabilir. Dahası, ultra-duyarlı ölçümler, istenmeyen dış etkilere karşı bu kediler kullanılarak daha az hassas hâle getirilebilir.

---

Kaynak: Lo HY, Kienzler D, de Clercq L, Marinelli M, Negnevitsky V, Keitch, BC, Home JP: Spin–motion entanglement and state diagnosis with squeezed oscillator wavepackets. Nature, 21 May 2015, DOI: 10.1038/nature14458

Üst Görsel: Bilimciler bu iyon tuzağını kullanarak yeni kuantum durumları yarattı. ©ETH Zurich

---