Elle tutulabilen kuantum: 2025 Nobel Fizik Ödülü ve günlük hayattaki kuantum

Fizikteki büyük sorulardan biri, kuantum mekaniğinin tuhaf etkilerinin ne kadar büyük sistemlerde görülebileceğidir. Tek bir elektron ya da atom, bir engelin içinden geçebilir, aynı anda birden fazla durumda bulunabilir. Ama bir futbol topu duvara çarptığında hep geri seker. Arada bir yerde kuantum dünyası klasik dünyaya dönüşüyor gibidir. Peki bu sınır nerededir?

Kraliyet İsveç Bilimler Akademisi, 7 Ekim 2025'te Nobel Fizik Ödülü'nü bu soruya deneysel bir cevap veren üç fizikçiye verdi: Kaliforniya Üniversitesi Berkeley'den John Clarke, Yale ve Kaliforniya Üniversitesi Santa Barbara'dan Michel H. Devoret ve Kaliforniya Üniversitesi Santa Barbara'dan John M. Martinis. Ödülün gerekçesi, "bir elektrik devresinde makroskobik kuantum mekaniksel tünellemenin ve enerji kuantumlanmasının keşfi"ydi.

Engelin içinden geçen devre

Üç fizikçi 1984 ve 1985'te Berkeley'de, süperiletkenlerden yapılmış bir elektronik devreyle bir dizi deney yaptı. Süperiletkenler, belirli bir sıcaklığın altına soğutulduğunda elektriği hiç dirençsiz ileten malzemelerdir. Devredeki iki süperiletken parça, çok ince bir yalıtkan katmanla ayrılmıştı. Josephson eklemi denen bu düzenekte, süperiletkendeki çok sayıda elektron birlikte tek bir parçacık gibi davranır ve tüm devreyi dolduran ortak bir kuantum durumu oluşturur.

Nobel Komitesi'nin açıklamasına göre bu sistem başlangıçta, gerilim olmadan akımın aktığı bir durumda "hapsolmuştur"; sanki aşamayacağı bir engelin arkasındadır. Deneylerde sistem, kuantum karakterini bu durumdan tünelleme yoluyla kaçarak gösterdi; kaçış, devrede bir gerilimin ortaya çıkmasıyla ölçüldü. Ekip ayrıca sistemin yalnızca belirli miktarlarda enerji soğurup yayabildiğini, yani enerjisinin kuantumlu olduğunu da gösterdi. Sonuçlar 1985'te Physical Review Letters dergisinde iki makale hâlinde yayımlandı.

Kuantum bilgisayarlara uzanan yol

Bu deneylerin doğrudan mirası, bugün süperiletken kübit olarak bilinen yapılardır. Google, IBM ve başka birçok şirketin kuantum işlemcileri, Josephson eklemli devrelerin belirli enerji düzeylerini kübitin 0 ve 1 durumları olarak kullanır. Ödülün aynı zamanda bir sanayi hikâyesi olması da bu yüzden: Devoret bugün Google Quantum AI'da kuantum donanımından sorumlu baş bilim insanı, Martinis ise Google'ın 2019'daki kuantum üstünlüğü deneyini yöneten ekibin başındaydı ve bugün Qolab adlı bir girişimin teknoloji direktörü.

Josephson eklemlerinin bir başka önemli kullanımı ölçümbilimde. Binlerce eklemi bir çipe yerleştiren gerilim standartları, voltu doğa sabitlerine dayanarak son derece hassas biçimde tanımlamayı sağlar. Kapak fotoğrafındaki çip, ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'nün 1985'te geliştirdiği ilk pratik 1 voltluk standart çipidir.

Tünelleme her yerde

Ödüle konu olan tünelleme, aslında farkında olmadan her gün yararlandığımız bir olgu. Güneş'in çekirdeğinde iki hidrojen çekirdeğinin birbirini itmesine rağmen kaynaşabilmesi, klasik fiziğe göre yetersiz kalan enerjiye karşın tünelleme sayesinde mümkün olur; yani güneş ışığı da kısmen bir kuantum tünelleme ürünü. Bilgisayarlardaki ve telefonlardaki flaş bellekler, elektronları ince bir yalıtkan katmanın içinden tünelleterek yazılan ve silinen hücrelerde veri saklar. 1986 Nobel Fizik Ödülü'nün bir bölümünü getiren taramalı tünelleme mikroskobu ise iğne ucuyla yüzey arasındaki tünelleme akımını ölçerek tek tek atomları görüntüleyebiliyor. Clarke, Devoret ve Martinis'in katkısı, bu olgunun yalnızca tek tek parçacıklarda değil, tasarlanıp kontrol edilebilen bütün bir devrede de gerçekleşebildiğini göstermek oldu.

Farkında olmadan kullandığımız kuantum

Nobel Komitesi Başkanı Olle Eriksson, ödül açıklamasında kuantum mekaniğinin bütün dijital teknolojinin temeli olduğunu hatırlattı. Gerçekten de gündelik hayatımızdaki pek çok cihaz, yüz yıl önce ortaya çıkan bu kuramın anlaşılmasıyla mümkün oldu:

• Transistörler: Bilgisayar ve telefon çiplerindeki milyarlarca transistör, elektronların yarı iletkenlerdeki davranışını açıklayan kuantum kuramına dayanır.
• Lazerler ve LED'ler: Atomların yalnızca belirli enerjilerde ışık yayması, yani enerji düzeylerinin kuantumlu olması sayesinde çalışır.
• Atom saatleri: Uydu konumlama sistemleri, atomların kuantum geçişlerine dayalı son derece hassas saatler olmadan doğru konum veremez.
• MR cihazları: Hastanelerdeki manyetik rezonans görüntüleme cihazlarının güçlü mıknatısları süperiletken sargılarla çalışır; görüntü ise atom çekirdeklerinin kuantum özelliği olan spin sayesinde oluşur.
• Güneş panelleri: Işığın enerjisini paketler hâlinde taşıdığını açıklayan fotoelektrik etki, güneş hücrelerinin çalışma ilkesidir.

Birleşmiş Milletler, kuantum mekaniğinin doğuşunun yüzüncü yılı nedeniyle 2025'i Uluslararası Kuantum Bilimi ve Teknolojisi Yılı ilan etmişti. Aynı yıl verilen Nobel, bu yüz yıllık kuramın hâlâ sürprizler sunduğunu ve kuantum kriptografi, kuantum bilgisayarlar ve kuantum algılayıcılar gibi yeni kuşak teknolojilere kapı açtığını gösteriyor.