Bilim insanları, 50 yılı aşkın bir süre önce teorik olarak öngörülen, ancak şimdiye kadar gözlemlenmesi zor olan bir kuantum olgusunu başarıyla gözlemledi. Maddenin yeni bir halini oluşturan bu süreç, gelecekteki kuantum bilgisayarlar için devrim niteliğinde sonuçlar doğurabilir.
Yakın zamanda saygın bir bilim dergisinde yayınlanan çalışmaya göre, 'süperradyan faz geçişi' (SFG) olarak adlandırılan bu yeni kuantum fazı, iki bağımsız kuantum parçacığı grubunun hem eş güdümlü hem de kolektif bir şekilde dalgalanmaya başlamasıyla ortaya çıkıyor.
Bu deneyde kullanılan iki parçacık grubu, özel bir kristal içindeki demir iyonları ve erbiyum iyonlarıydı. Araştırmacılar, erbiyum, demir ve oksijenden oluşan bu kristali mutlak sıfıra (-271.67 °C) yakın sıcaklıklara kadar soğuttuktan sonra, Dünya'nın manyetik alanından 100.000 kat daha güçlü bir manyetik alan uygulayarak bu olguyu tetiklemeyi başardılar.
Bu zorlu koşullar altında ekip, kristal içinde SFG'nin belirgin izlerini gözlemleyebildi. Elde edilen bulgular, 1954 yılında formüle edilen ünlü bir modelin SFG'nin nasıl görüneceğine dair yaptığı tahminlerle birebir örtüşüyordu.
Bu teorik model, uyarılmış atomların normal atomlardan daha hızlı ışık yaydığı 'süperradyans' olgusunu ilk tanımlayan çalışmaydı ve süperradyan faz geçişinin, ışık ve madde arasındaki güçlü etkileşimlerden kaynaklanan farklı bir madde hali olduğunu anlamanın temelini atmıştı. Daha sonra başka bilim insanları tarafından bu faz geçişinin varlığı matematiksel olarak da kanıtlanmıştı.
Araştırmacılardan biri yaptığı açıklamada, "Başlangıçta, SFG'nin kuantum vakum dalgalanmaları - yani tamamen boş uzayda bile doğal olarak var olan kuantum ışık alanları - ile madde dalgalanmaları arasındaki etkileşimlerden kaynaklandığı düşünülüyordu. Ancak biz bu çalışmamızda, kristal içindeki iki farklı manyetik alt sistemi, yani demir iyonlarının spin dalgalanmaları ile erbiyum iyonlarının spin dalgalanmalarını birbirine bağlayarak bu geçişi gerçekleştirdik." dedi.
Spin, bir temel parçacığın veya atomun açısal momentumunu tanımlar ve manyetik alanlardaki davranışını belirler. Malzemelerdeki spin düzeninde termal dalgalanmalar, değişken manyetik alanlar veya diğer kaynaklar tarafından oluşturulan dalga benzeri bozulmalara ise 'magnon' adı verilir.
Geçmişte SFG, ışık tabanlı sistemlerin temel bir sınırlamasını ihlal ettiği için 'imkansız' olarak görülüyordu. Ancak olgunun manyetik parçacık dalgalanmalarını (magnonik) kullanan bir versiyonunu oluşturmak, ekibin bu kısıtlamayı aşmasını sağladı. Deneylerinde, demir iyonlarının magnonları normalde vakum dalgalanmalarının rolünü üstlenirken, erbiyum iyonlarının spinleri madde dalgalanmalarının yerini doldurdu.
Araştırmacılar, bir spin modunun enerji sinyalinin kaybolduğunu ve diğerinde bir kayma olduğunu net bir şekilde gözlemleyebildiler – bu da SFG'nin açık bir kanıtıydı.
Çalışmanın yazarlarından biri, "Bu iki spin sistemi arasında ultra güçlü bir eşleşme kurduk ve önceki deneysel kısıtlamaların üstesinden gelerek bir SFG'yi başarıyla gözlemledik," diye ekledi.
SFG'nin benzersiz özellikleri, çeşitli kuantum teknolojileri için önemli etkiler yaratabilir. Bu durum, 'kuantum sıkıştırma' adı verilen bir olgudan kaynaklanıyor. Kuantum sıkıştırma sayesinde, bir kuantum sisteminin ölçülebilir bir özelliğindeki dalgalanmalar (gürültü), standart kuantum limitinin altına düşürülür (ancak bu sırada başka bir özellikteki dalgalanmalar artar).
Araştırmacı, "Bu geçişin kuantum kritik noktasına yakın olduğunda, sistem doğal olarak kuantum gürültüsünün büyük ölçüde azaltıldığı kuantum sıkıştırılmış durumları stabilize eder ve bu da ölçüm hassasiyetini büyük ölçüde artırır," dedi. "Genel olarak bu bulgu, kuantum sensörlerini ve bilgi işlem teknolojilerini devrim niteliğinde değiştirebilir, doğruluklarını, hassasiyetlerini ve performanslarını önemli ölçüde ilerletebilir."
SFG'nin kuantum sıkıştırılmış durumları stabilize etmesinin, kuantum ölçümlerinin ve hesaplamalarının hassasiyetinin ötesinde başka avantajları da var. SFG, birçok kuantum parçacığının kolektif davranışından kaynaklandığı için, mevcut kuantum bilişimde büyük engeller olan bireysel kübit hatalarına ve eşevresizlik (dekoherans) sorununa karşı yerleşik bir koruma biçimi sağlayabilir. Bu senkronize davranış, daha sağlam ve kararlı, daha uzun eşevresizlik sürelerine sahip kübitlere yol açabilir. Ayrıca, SFG içindeki güçlü, eşevreli etkileşimlerin daha hızlı kuantum kapılarına (kuantum algoritmalarının yapı taşları) olanak tanıyabileceği de düşünülüyor.
