Kuantum Dolaşıklığı ve Uzak Mesafelerdeki Etkileşimler
Son yıllarda yapılan deneylerde kuantum dolaşıklığı ile parçacıkların etkileşim mesafeleri giderek genişlemektedir. Avusturyalı bilim insanı Anton Zeilinger ve ekibi, birkaç yıl önce parçacıkların birbirine bağlı kalma mesafesini 144 kilometreye kadar çıkarmayı başarmıştı. Bu, Albert Einstein’ın “hayali uzaktan etki” olarak tanımladığı kuantum dolaşıklığının önemli bir örneğidir.
16 Ağustos 2016 tarihinde Çin, yörüngeye bir “Kuantum Uydusu” göndermiştir. Bu projenin amacı, kuantum dolaşıklığının mesafesini artırarak daha kapsamlı ölçümler yapmaktır. Çinli bilimciler, lazer kullanarak dolaşık fotonları, aralarında 1203 kilometre mesafe bulunan iki alıcı istasyona göndermeyi başarmışlardır. (Science dergisi, 16.6.2017) Deney sonucunda, ışık parçacıkları arasında benzer etkiler gözlemlenmiştir. Üstelik fotonlar 500 kilometre yükseklikten dünyaya gönderilmiş ve uyduların pozisyonlarına göre yer istasyonlarına kadar 2000 kilometre mesafe kat edilmiştir.
Kuantum İnternetinin Temelleri
Tüm bu gelişmeler, sadece bilimsel bir merakın ürünü değil, aynı zamanda somut çıkarların da yattığı bir çerçevede gerçekleşmektedir. Dolaşık bir fotonun her durum değişikliği, diğerini de etkilediği için bilgiler (parçacıkların polarizasyonu) ışık hızında büyük mesafelere aktarılabilmektedir. Bu durum, kuantum internetinin temelini oluşturmakta ve bilgilerin güvenli bir şekilde iletilmesini sağlayarak “kırılması imkansız” bir yöntem sunmaktadır. Gelecekte kuantum bilgisayarlarının da bu yöntemle etkileşimde bulunmaları beklenmektedir. Ancak bunun öncelikli şartı, kuantum iletişiminin küresel bir ölçekte sağlanmasıdır.
Dünya atmosferindeki bozucu etkiler nedeniyle, uzak mesafelerde dolaşık durumda sadece çok az fotonun hedefe ulaşabildiği gözlemlenmiştir. Benzer sorunlar, cam elyaf kablolarında da yaşanmaktadır. Bu nedenle gelecekte kuantum iletişimi için uydulara geçiş yapılması planlanmaktadır. Gerçekten de, bir kuantum uydusunda üretilen dolaşık fotonlar, atmosferin ötesindeki yollarını büyük ölçüde bozulmadan tamamlayabilmektedir. Dolayısıyla, foton çiftleri 144 kilometreden daha büyük mesafelerde yer alan istasyonlara gönderildiğinde, dolaşıklıklarını koruyabilmektedirler. Çinli bilim insanları bu başarıyı ilk kez gerçekleştirmiştir. Jian-Wei Pan ve ekibi, kuantum iletişimindeki bu olağanüstü başarıları, Çinli filozof Micius’un adını taşıyan uydu aracılığıyla elde etmiştir.
Deneyin Gerçekleştirilmesi
Uydunun üzerinde bulunan kuantum deneyinin verici birimi, ışını bir ışın ileticisinden ve özel bir kristalden aktaran bir lazer sisteminden oluşmaktadır. Bu sistem sayesinde, saniyede 5.9 milyon çift ve 810 nanometre dalga boyunda dolaşık fotonlar üretilmektedir. Her çift fotondan biri polarizasyon durumuyla ilişkilidir. Uyduya yerleştirilen teleskop çanakları aracılığıyla, dolaşık lazer fotonlarının ışınları yer istasyonuna yönlendirilmektedir. Deney sırasında, Çin’de birbirinden 1.203 kilometre mesafede yer alan üç alıcı istasyon kullanılmıştır.
Jian-Wei Pan, gelen fotonların gerçekten de hâlâ dolaşık olup olmadığını ve bilgi aktarımını gerçekleştirip gerçekleştirmediklerini kontrol etmiştir. Gerçekten de, uydudan çıkan fotonların dolaşıklıkları korunarak başarıyla yakalanabilmiştir. Üstelik, fotonlar 500 kilometre yükseklikten dünyaya gönderilmiş ve uyduların pozisyonlarına göre yer istasyonlarına kadar 2000 kilometre mesafe kat edilmesine rağmen, aktarımın bilgilerin okunmasına yetecek kadar güçlü olduğu saptanmıştır. Ancak bu sonucun elde edilmesi oldukça zorlu bir süreç olmuştur.
Uydunun pozisyonu, yerdeki istasyonların pozisyonundan kaydığı için, verici ve alıcı birimlerinin bu hareketi mümkün olduğunca doğru bir şekilde takip etmesi ve dengelemeleri gerekmekteydi. Ayrıca, kozmik ışınların uydunun üzerindeki hassas cihazlara zarar vermemesi için çeşitli önlemler alınması gerekiyordu. İşte bu başarılı aktarım sayesinde, ilk kez uydu destekli bir kuantum iletişimi mümkün olmuştur ve bu, oldukça önemli bir teknolojik atılım olarak değerlendirilmektedir. Pan, geliştirdikleri uydu destekli teknolojinin hem kuantum iletişiminin pratikte kullanımını, hem de büyük mesafeli temel kuantum optik deneyleri için yeni yollar açacağını belirtmektedir. Böylece, gelecekte birbirine belli bir uzaklıkta bulunan yer istasyonları arasında kuantum anahtar değiş tokuşu yapılarak, şifrelenmiş bir iletişim sağlanabilecektir.
Kaynak: Herkese Bilim Teknoloji, Nilgün Özbaşaran Dede
