Bugün 14 Nisan, kuantum biliminin halk tarafından daha iyi anlaşılmasını teşvik etmek amacıyla düzenlenen uluslararası bir kutlama olan Dünya Kuantum Günü. Bu tarihin seçilmesinin özel bir anlamı var: 4/14, kuantum fiziğinde kritik bir sayı olan Planck sabitinin (4.135667696 x 10-15 eV/Hz, yuvarlak olarak 4.14 x 10-15) ilk üç rakamını temsil ediyor.
Kuantum fiziği, evrendeki en küçük parçacıkları; atomları, elektronları, fotonları (ışık parçacıkları) ve kuarklar gibi diğer atom altı parçacıkları inceleyen bilim dalıdır.
Gündelik hayatımızda, görebildiğimiz ölçekte, olaylar genellikle klasik fizik yasalarına uyar. Ancak en küçük parçacıklara indiğimizde, klasik fizik kuralları yetersiz kalır ve kuantum mekaniğinin kuralları devreye girer.
Kuantum fiziğinin temel kavramlarından bazıları şunlardır: Elektron gibi parçacıkların dalga gibi davranabilmesi ve tersi (dalga-parçacık ikiliği); iki parçacığın, birini ölçtüğünüzde diğeri hakkında anında bilgi edinebileceğiniz şekilde birbirine bağlanması (kuantum dolanıklık); ve bir kuantum parçacığının gözlemlenene kadar aynı anda birden fazla durumda bulunabilmesi (kuantum süperpozisyonu).
Kuantum Süperpozisyon Nedir?
Gündelik hayatta bir şey aynı anda yalnızca tek bir durumda olabilir: Bir ışık anahtarı ya açıktır ya da kapalıdır, bir kedi ya ölüdür ya da diridir. Kuantum dünyasında ise işler pek böyle yürümez. Kuantum süperpozisyonu, bir elektron, foton veya hatta bir atom gibi kuantum parçacıklarının, ölçülene kadar aynı anda birden fazla farklı durumda nasıl var olabildiğini tanımlar. Gözlemlenmeden önce, durumlar arasında yarı yolda değildir, bunun yerine her iki durumun aynı anda bir "süperpozisyonu" içindedir.
Kuantum fiziğinde, bir parçacığın durumu, o parçacığın nerede olabileceği veya özelliklerinin ne olabileceğine dair olasılıkları bize söyleyen bir dalga denklemi ile tanımlanır. Bu olasılık dalgası, birden fazla durumun bir karışımı halinde var olabilir.
Schrödinger'in Kedisi Nedir?
Schrödinger'in Kedisi, süperpozisyonun nasıl çalıştığını gösteren ünlü bir düşünce deneyidir. Bir kutunun içinde, bir kuantum parçacığının radyoaktif olarak bozunup bozunmamasına (kendiliğinden farklı bir atom türüne dönüşüp elektron gibi radyoaktif parçacıklar salmasına) bağlı olarak %50 ihtimalle kediyi öldürecek bir mekanizma olduğunu hayal edin.
Birisi kutuyu açıp gözlemleyene kadar, kedinin hem canlı hem de ölü durumlarının bir süperpozisyonunda olduğu kabul edilir. Sistemi ölçtüğünüzde veya gözlemlediğinizde - ya da Schrödinger'in Kedisi örneğinde kutunun içine baktığınızda - süperpozisyon belirli bir duruma çöker ve kedinin kaderi belli olur.
Kuantum süperpozisyonu, bilim insanları tarafından birçok kez deneysel olarak gözlemlenmiştir. Ünlü bir örnek, çift yarık deneyidir. Bu deneyde fotonlar, arkasında parçacıkların nereye düştüğünü kaydeden bir ekran bulunan, iki yarıklı bir bariyere ateşlenir. Parçacıkları tek bir yarıktan gönderirseniz ekranda tek bir bant elde edersiniz, ancak her iki yarığı da açarsanız, ekranda birden fazla bant içeren dalga benzeri bir girişim deseni elde edersiniz. Bu durum, parçacıkların ve dalgaların birbirleri gibi davranabildiğini de kanıtlar. Parçacıkları tek tek gönderdiğinizde, her birinin ya bir yarıktan ya da diğerinden geçmesini beklersiniz. Ancak, girişim deseni yine de oluşur; sanki her bir parçacık kendi kendisiyle girişime giriyormuş gibi. Bu, her bir parçacığın bir şekilde aynı anda her iki yarıktan geçtiği ve dolayısıyla her iki olasılığın süperpozisyonunda olduğu anlamına gelir.
Parçacığın hangi yarıktan geçtiğini ölçmeye çalıştığınızda ise süperpozisyon çöker: Parçacık tek bir yarıktan geçmiş gibi görünür ve girişim deseni kaybolur, ekranda sadece iki bant kalır.
Ayrıca, iyonlar ve daha büyük moleküller deneysel olarak süperpozisyon durumunda hapsedilmiştir ve bitki yapraklarındaki klorofilin, güneşten gelen ışığı daha verimli bir şekilde toplamak için kuantum süperpozisyonunu kullandığı keşfedilmiştir.
Süperpozisyon Kuantum Bilgisayarlar İçin Neden Bu Kadar Önemli?
Kuantum süperpozisyonu, kuantum bilişiminde de bir araç olarak kullanılır ve kuantum bilgisayarların bu kadar güçlü olabilmesinin ana nedenidir.
Klasik bir ikili bit (bit), aynı anda yalnızca tek bir durumda olabilir: 0 veya 1. Bu bitler genellikle silikon, germanyum veya diğer yarı iletkenlerden yapılmış transistörlerde kodlanır. Üç bit bulunduğunda, potansiyel olarak 8 farklı durum olabilir: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 ve 111. Tüm olasılıkları işlemek için klasik bir bilgisayarın bunları tek tek kontrol etmesi gerekir.
Kuantum bilgisayarlarında ise elektronlar veya fotonlar gibi parçacıklar, hem 0 hem de 1'in süperpozisyonunda olabilen bir kübit (kuantum bit) görevi görür. Üç kübit, aynı anda 8 olası durumun hepsinin süperpozisyonunda olabilir, bu da kuantum bilgisayarların aynı anda çok daha fazla sayıda hesaplamayı işleyebileceği anlamına gelir. Üç kübitle, bir kuantum bilgisayar yukarıda listelenen sekiz durumun tamamını aynı anda işleyebilir.
Geleneksel bilgisayarlara göre bu çok daha büyük işlem gücü, kuantum bilgisayarların bir gün ilaç geliştirme, iklim modelleme ve üretim gibi alanlarda karmaşık simülasyonlar yapmak için kullanılabileceği anlamına gelebilir. Teorik olarak, yeterince güçlü bir kuantum bilgisayar, en güçlü süper bilgisayarların bile tamamlaması milyonlarca yıl sürecek hesaplamaları saniyeler içinde yapabilir.
