Kuantum dolanıklık: Einstein'ın "ürkütücü etki"sinden Nobel'e

1935'te Albert Einstein, Boris Podolsky ve Nathan Rosen, Physical Review dergisinde fizik tarihinin en çok tartışılan makalelerinden birini yayımladı. Başlığı bir soruydu: Fiziksel gerçekliğin kuantum mekaniğiyle yapılan tanımı eksiksiz sayılabilir mi? Yazarların cevabı "hayır"dı. Kuantum mekaniğinin öngördüğü bazı ilişkiler, onlara göre ancak kuramın göremediği gizli bilgilerle açıklanabilirdi.

Einstein, sonraki yıllarda bu ilişkiyi bir mektubunda "uzaktan ürkütücü etki" olarak niteledi. Bugün dolanıklıkİki ya da daha fazla parçacığın, aralarındaki uzaklık ne olursa olsun tek bir sistem gibi davrandığı kuantum durumu. adını verdiğimiz bu olgu, yarım asır boyunca felsefi bir tartışma olarak kaldı. Sonra fizikçiler onu laboratuvara taşımanın yolunu buldu.

Dolanıklık ne demek?

İki parçacık dolanık olduğunda, ikisini ayrı ayrı tanımlamak mümkün değildir; sistem bir bütün olarak tanımlanır. Örneğin ortak bir kaynaktan çıkan iki ışık parçacığının (fotonun) kutuplanma yönleri dolanık olabilir. Her fotonun ölçüm sonucu tek başına tamamen rastgeledir; ama iki taraf sonuçlarını karşılaştırdığında, aralarında güçlü bir ilişki görülür. Bu ilişki, fotonlarIşığın ve tüm elektromanyetik ışımanın temel parçacığı; kütlesizdir ve boşlukta her zaman ışık hızıyla hareket eder. arasında kilometreler, hatta yüzlerce kilometre olsa da sürer.

Burada akla gelen ilk açıklama basittir: Belki fotonlar kaynaktan ayrılırken, hangi ölçümde ne sonuç vereceklerini belirleyen ortak bir "talimat" almıştır. Tıpkı bir çift eldivenden birini kutuya koyup göndermek gibi: kutuyu açıp sol eldiveni görürseniz, ötekinin sağ olduğunu bilirsiniz. Einstein'ın aklındaki tablo buna benziyordu.

Bell'in testi

Kuzey İrlandalı fizikçi John Stewart Bell, 1964'te bu iki görüşü ayırt edecek bir yol buldu. Bell'in türettiği eşitsizliğe göre, parçacıklar önceden belirlenmiş gizli talimatlar taşıyorsa, farklı açılarla yapılan çok sayıda ölçümdeki ilişki belirli bir değeri aşamaz. Kuantum mekaniği ise bazı ölçüm düzenlerinde bu sınırın aşılacağını öngörüyordu. Artık tartışma, bir deneyle karara bağlanabilirdi.

Nobel Komitesi'nin açıklamasına göre John Clauser, Bell'in fikirlerini pratik bir deneye dönüştürdü ve 1970'lerin başında yaptığı ölçümler eşitsizliğin açıkça ihlal edildiğini gösterdi. Ancak deneyde bazı "boşluklar" kalmıştı. Örneğin ölçüm ayarları önceden belli olduğu için, kaynakla ölçüm aletleri arasında henüz bilinmeyen bir etkileşim sonucu etkileyebilirdi. Alain Aspect, 1982'de yayımladığı deneyde ölçüm ayarlarını fotonlar kaynaktan ayrıldıktan sonra değiştirerek bu önemli boşluğu kapattı. Sonuç değişmedi: Bell eşitsizliği yine ihlal edildi.

Zeilinger ve kuantum bilgi

Anton Zeilinger ve ekibi dolanıklığı bir araç olarak kullanmaya başladı. Grubun 1997'de Nature'da yayımladığı deney, bir fotonun kuantum durumunun dolanıklık yardımıyla başka bir fotona aktarıldığı kuantum ışınlanmanın ilk gösterimlerinden biriydi. Ekip daha sonra hiç karşılaşmamış iki fotonu dolanık hâle getirmek gibi daha karmaşık düzenekler de kurdu.

Kraliyet İsveç Bilimler Akademisi, 4 Ekim 2022'de Nobel Fizik Ödülü'nü üç fizikçiye, "dolanık fotonlarla yaptıkları, Bell eşitsizliklerinin ihlalini ortaya koyan ve kuantum bilgi biliminin öncülüğünü yapan deneyler" için verdi. Komitenin değerlendirmesine göre bu sonuçlar, kuantum mekaniğinin gizli değişkenler kullanan bir kuramla değiştirilemeyeceğini gösteriyor.

Laboratuvardan uzaya

Dolanıklık bugün kuantum teknolojisinin temel kaynaklarından biri. 2017'de Science dergisinde yayımlanan bir çalışmada Çin'in Micius uydusu, dolanık foton çiftlerini yeryüzünde 1.200 kilometreden uzak iki istasyona dağıttı. Bu tür deneyler, dinlenmeye çalışıldığında fark edilen kuantum anahtar dağıtımı ve gelecekteki kuantum internet için bir ön çalışma niteliğinde. Kuantum bilgisayarların gücü de büyük ölçüde kübitler arasındaki dolanıklıktan geliyor.

Dinlenemeyen anahtar

Dolanıklığın en somut kullanım alanlarından biri kuantum anahtar dağıtımıdır. Ana fikir şöyle: İki taraf, dolanık foton çiftlerinin birer üyesini alır ve rastgele seçtikleri ayarlarla ölçer. Sonra hangi ayarları kullandıklarını (sonuçları değil) açık bir kanaldan karşılaştırır ve aynı ayarla yapılan ölçümlerden ortak, rastgele bir şifre anahtarı çıkarır. Araya giren biri fotonları ölçmeye çalışırsa dolanıklığı bozar; bu bozulma, tarafların sonuçlarının bir bölümünü karşılaştırdıklarında Bell testine benzer bir denetimle fark edilir. Böylece güvenlik, bir matematik probleminin zorluğuna değil, fizik yasalarına dayanır. Bu sistemlerin pratikte uzun mesafelerde ve yüksek hızda çalıştırılması ise hâlâ önemli bir mühendislik sorunu.

Dolanıklığın en sık yanlış anlaşılan yanı, ışıktan hızlı iletişime izin verdiği düşüncesidir. Oysa her iki taraf da yalnızca rastgele sonuçlar görür; ilişki ancak sonuçlar sıradan bir kanal üzerinden karşılaştırıldığında ortaya çıkar. Einstein'ın rahatsız olduğu "ürkütücülük" gerçek, ama görelilik kuramı yerli yerinde duruyor.