Einstein, Kuantum Dolanıklığın Neden “Uzak Mesafeden Ürpertici Etkileşim” Olduğunu Düşündü?
Çevirmen
2. Çevirmen
Kuantum dolanıklık (kısaca “dolanıklık” veya “dolaşıklık”), bir grup parçacığın her birinin kuantum durumunun, parçacıklar birbirinden çok uzak mesafeler boyunca ayrılmış olsalar bile, diğerlerinin durumundan bağımsız olarak tanımlanamayacağı şekilde oluşturulduğu, etkileştiği veya uzamsal yakınlığı paylaştığı zaman meydana gelen, fiziksel bir olgudur. Kuantum dolanıklık konusu, klasik fizik ile kuantum fiziği arasındaki uyumsuzluğun merkezinde yer alır: Dolanıklık, klasik mekanikte olmayıp da kuantum mekaniğinde yer alan ana özelliklerden biridir.
Kuantum dolanıklık, sadece atom altı parçacıklara özgü bir özellik değildir; fakat dolanıklığın yeterince uzun süre boyunca ve yeterince uzak mesafelerde korunmaya devam edebilmesi için, dolanık parçacıkların olabildiğince küçük seçilmesi gerekmektedir. Parçacıklar büyük seçilecekse de dolanıklığın bozulmayacağı şartların hassas bir şekilde yaratılması ve korunması gerekmektedir. Bu şartlar altında kuantum dolanıklık, bugüne kadar, deneysel olarak, hem fotonlar gibi kütlesiz parçacıklar, hem nötrinolar ve elektronlar gibi hafif parçacıklar hem de buckyballs gibi büyük moleküller ve hatta küçük elmaslar ile gösterilmiştir.[7], [8], [9], [10], [11] Kuantum dolanıklık; iletişim, hesaplama ve kuantum radarı gibi birçok sahada aktif olarak araştırılmakta ve geliştirilmektedir.
Kuantum Dolanıklık: Uzak Mesafeden Ürpertici Etkileşim
Herhangi bir parçacık; konum, momentum, spin ve polarizasyon gibi fiziksel özellikleri üzerinden diğer parçacık veya parçacıklarla dolanıklık hâline sokulabilir. Bu bağlamda dolanıklık, iki veya daha fazla parçacığın birbiriyle anlık olarak ve kusursuz bir şekilde iletişim kurabilecek şekilde bağlı olduğu anlamına gelmektedir.
Bunu bir örnek üzerinden anlamaya çalışalım: Örneğin, toplam spinlerinin sıfır olduğu bilinecek şekilde, dolanık bir parçacık çifti oluşturduğumuzu hayal edelim (bunun nasıl yapıldığı yazının ilerleyen kısımlarında anlatılacaktır). Bu parçacıklar kuantum nitelikte oldukları için, davranışları klasik fizikteki gibi “açık ve net” olmayacaktır. Örneğin masanın üzerindeki durgun bir top, herhangi bir dönme niteliğine sahip olmaksızın, masanın tam ortasında bulunabilir. Bir kutu içindeki elektronsa, spesifik bir konuma sahip olmaksızın, alabileceği bütün konum değerlerine aynı anda sahip olabilmektedir (belirli olasılıklar dahilinde). Bir diğer deyişle bu elektron, %70 ihtimalle kutunun ortasında, %20 ihtimalle kutunun sağ tarafında, %10 ihtimalle kutunun sol tarafında bulunabiliyorsa, bu parçacık aynı anda hem kutunun ortasında, hem kutunun sol tarafında, hem de kutunun sağ tarafında bulunacaktır (ama aynı zamanda ne kutunun ortasında, ne kutunun sol tarafında, ne de kutunun sağ tarafında bulunacaktır). İşte elektronun (veya bir diğer parçacığın), herhangi bir fiziksel özellik için sahip bu olasılık dağılımına dalga fonksiyonu adı verilmektedir.
Dolayısıyla spin özelliği bakımından dolanık bir biçimde yarattığımız parçacıklarımız da aynı anda hem saat yönünde hem de saat yönünün tersine dönecek şekilde davranacaktır (parçacıkların bu şekilde aynı anda birden fazla durumda olabilmesine “kuantum süperpozisyon” denmektedir). Dolayısıyla bir ölçüm yapılana kadar, parçacıkların hangisinin ne yönde bir spine sahip olduğu bilinemez.
Sonrasında bu iki parçacık, istenilen ve rastgele bir miktarda (mesela yüzlerce kilometre boyunca) birbirinden uzaklaştırılırsa ve sonradan parçacıklardan biri üzerinde bir ölçüm yapılırsa, o anda parçacık ana eksende saat yönüne veya saat yönünün tersine olacak biçimde davranmaya başlayacaktır. Yani parçacık, ölçümden önce her iki yöne de aynı anda dönerken, ölçüm anından itibaren bu yönlerden sadece bir tanesinin doğru olduğu anlaşılacaktır. Buna, dalga fonksiyonunun çökmesi adı verilmektedir.
Bir diğer deyişle, ölçüm yapılana dek parçacıklardan herhangi birinin ana eksende hangi yöne döndüğünü bilmek mümkün değildir. Ancak ölçüm yapıldığı anda, ölçümün yapıldığı parçacığın saat yönünde döndüğü tespit edilecek olursa, henüz ölçülmemiş olan dolanık eşi, anında saat yönünün tersine dönecek şekilde tek bir olasılığa “çökecektir”. Üstelik göründüğü kadarıyla parçacıklar arasındaki bu iletişim, aralarındaki mesafeden bağımsız olarak, anlık bir biçimde olmaktadır. Ayrıca bu çökmenin yaşanması için illâ “gözlem” yapılmasına gerek yoktur; dolanık parçacıkların çevrelerindeki diğer parçacıklarla doğal etkileşimi de “dekoherans” denen bir olaya ve dolayısıyla dolanıklığın bozulmasına neden olabilir.[12]
İşte cisimlerin sadece kendi lokalitelerinde (civarlarındaki yerel uzay-zaman dokusunda) olup bitene etki edebileceğine inanan Albert Einstein, bu ilkeyi ihlal ediyor gibi gözüken bu tuhaf olayı, “uzak mesafeden ürpertici etkileşim” (İng: “spooky action at a distance”) olarak adlandırmıştır, böyle bir davranışın imkansız olduğunu düşünmüştür ve kuantum mekaniğinin kabul edilen formülasyonunun bu nedenle eksik olması gerektiğini savunmuştur.[1]
Ancak o gün bugündür yapılan, dolanık parçacıkların polarizasyonunun veya spininin ayrı konumlarda ölçüldüğü ve Bell’in eşitsizliğinin istatistiksel olarak ihlal edildiğini gösteren deneysel çalışmalar, kuantum mekaniğinin “mantık dışı” gibi gözüken, ürpertici tahminlerinin doğru olduğunu göstermiştir.[2], [3], [4]
Her ne kadar bazı araştırmacılar, erken dönem dolanıklık deneylerinin, bir noktadaki sonucun uzaktaki ikinci noktaya kurnazca iletilerek sonucu etkileyebileceği ihtimalini eleyemeyeceğini ileri sürerek bu deneylerin sonuçlarına itiraz etmiş olsalar da, sonradan geliştirilen ve yapılan “gediksiz” Bell testleri sayesinde dolanık parçacıklar, ışık hızındaki iletişimin bile ölçümler arasındaki süreden daha uzun (hatta bir durumda, 10.000 kat daha uzun) süreceği kadar uzak mesafelerde ayrılacağı şekilde gerçekleştirilmiştir ve bu deneyler, kuantum dolanıklık olgusunu tartışmaya yer bırakmayacak şekilde doğrulamıştır.
Buraya kadar öğrendiklerimizi özetleyecek olursak: Kuantum sistemlerde, fiziksel özelliklerden herhangi birine yönelik olarak yapılan herhangi bir ölçüm, o parçacığın dalga fonksiyonunun tersinmez bir şekilde çöküşüyle sonuçlanır ve orijinal kuantum durumunu değiştirir. Söz konusu dolanık parçacıklar olduğunda, bu tür ölçümler dolanıklık halindeki sistemi bir bütün olarak etkiler ve dolayısıyla sistemin bir parçasına yönelik ölçüm, diğer parçaların da kuantum dalga fonksiyonunun çökmesiyle sonuçlanır.
Dolanık Parçacıklar Işık Hızını Aşıyor mu?
Yukarıdaki anlatım, kuantum mekaniğinin klasik yorumlarına göre yapılmıştır; ancak kuantum ölçekte olan biteni izah etmekte kullanılan tek yorum bu değildir. Farklı fizik ekollerinin bu konudaki farklı görüşlerini buradan okuyabilirsiniz.
Vaziyeti kısaca özetleyecek olursak, “dalga fonksiyonunun anlık çökmesi” olgusunu reddeden bazı yorumlar, dolanık parçacıklar arasında herhangi bir “etkileşim” olduğu konusunda ihtilafa düşerler ve klasik yoruma karşı çıkarlar. Ama ne olursa olsun, kuantum mekaniğine yönelik bütün yorumlar, dolanıklığın ölçümler arasında korelasyon ürettiğini ve dolanık parçacıklar arasındaki karşılıklı bilgiden yararlanılabileceğini, ancak ışık hızından daha hızlı herhangi bir bilgi aktarımının imkansız olduğu konusunda hemfikirdir; yani kuantum dolanıklık yoluyla ışık hızından hızlı bilgi iletimi mümkün değildir.[5], [6]
Spin ve Kuantum Dolanıklık
Kuantum dolanıklık konusunda en yaygın olarak kullanılan örnek “kuantum spin” denen olgu olduğu için, bu kısımda spin kavramına biraz daha yakından bakıp, kuantum dolanıklığı spin üzerinden daha iyi anlamaya çalışacağız.
Tüm temel parçacıkların bir spini (“dönüş” veya “dönme”) vardır. Bu, bir basketbol topunun yaptığı gibi gerçek bir “dönme” değildir; ancak bu benzetme, atom altı parçacıklar için uygun bir benzetmedir: Bu parçacıkların (tıpkı dönen bir basketbol topu gibi) belli bir açısal momentumu ve uzayda belli bir yönleri vardır. Onlara “basketbol topu gibi dönmüyorlar” dememizin nedeni, atom altı parçacıkların teknik olarak bir basketbol topu gibi bir küre olmamasıdır. Küre olmayan (ve spesifik bir şekli bulunmayan) parçacıkların kendi etrafında dönmelerinden de söz edemeyiz. Bu nedenle “spin” (“dönme”) sözcüğü, sadece bir benzetimdir.
Bu parçacığın spinini ölçebiliriz, ancak öncelikle ne taraftan ölçeceğimizi seçmemiz gerekmektedir. Fakat hangi taraftan ölçerseniz ölçün, bu ölçümün sadece iki sonucu olabilir. Ya parçacık ölçümün yapıldığı yönle örtüşecek ki buna “yukarı dönüş” (“spin up“) diyoruz ya da parçacığın dönüşü ölçümün yapıldığı yönün tersine olacak ki buna da “aşağı dönüş” (“spin down“) diyoruz.
Peki, parçacığın dönüşü dikey olmasına rağmen biz ölçümü yatay olarak yaparsak ne olur? Bu durumda parçacığın yukarı ya da aşağı dönüşü olması ihtimali %50 olur. Ve ölçümden sonra da parçacık, sahip olduğu tespit edilen dönüşü sürdürür. Yani dönüşü ölçmek parçacığın dönüş yönünü de otomatikman değiştirmiş olur.
Peki, parçacığı dikeyden 60 derece gibi bir açı ile ölçersek ne olur? Bu durumda parçacık daha çok ölçümün yapıldığı yönde döndüğü için 3/4 kez yukarı doğru, 1/4 kez de aşağı doğru döner. Bunun olma olasılığı, açının yarısının kosinüsünün karesi ile ilişkilidir.
P(∧)=cos(q2)2P(\land)=\cos(\frac{q}{2})^2
P(∨)=sin(q2)2P(\lor)=\sin(\frac{q}{2})^2
İşte burada işler biraz garipleşmeye başlıyor. Tüm parçacıkların iyi belirlenmiş bir spin ile oluşmuş olduklarını düşünebilirsiniz, ancak öyle değil. Örneğin parçacıklarımızın spinlerinin dikey ve birbirine ters olduğunu düşünün. Eğer ikisini de yatay olarak ölçersek, her ikisinin de yukarı yönlü olma ihtimali 50/50 olur. Yani iki ölçümün de aynı yukarı yönlü sonucu verme ihtimali %50 olur ve bu, açısal momentumun korunumu yasası ile çelişir.
Kuantum mekaniğine göre bu parçacıkların iyi tanımlanmış bir dönüşleri yoktur bile! Bu parçacıklar sadece “dolanık”tır yani basitçe, spinleri birbirinin tersidir. Yani bir parçacık ölçüldüğü ve dönüşü belirlendiği zaman, anında diğer parçacığın ölçümünün vereceği sonucu bilebilirsiniz. Bir diğer deyişle kuantum dolanıklık, momentumun korunumu yasasını korumak için bir zorunluluktur.
Bu olgu, titiz bir şekilde, deneysel olarak defalarca test edildi. Hangi açı ile ölçüldüğü, hangi dedektörlerin kullanıldığı ya da birbirlerinden ne kadar uzak oldukları fark etmeksizin, parçacıklar her zaman birbirlerinin tersi sonucu verdiler.
Şimdi durup bunun ne kadar çılgınca olduğunu düşünün. İki parçacığın da dönüşü bilinmiyor, siz birini ölçüyorsunuz ve anında öbür parçacığın dönüşünü biliyorsunuz, birbirlerinden onlarca ışık yılı uzakta olsalar bile! Sanki yapılan ilk ölçümün sonucu, diğerinin sonucunu ışık hızından hızlı bir şekilde etkiliyor – ki başlangıçta, gerçekten de pek çok teorisyen sonucu bu şekilde yorumladı.
Parçacıkların Spinini Önceden Belirleyen, “Gizli Bir Bilgi” Olabilir mi?
Ancak Einstein, bunu reddetti. Ona göre parçacıklar, hangi açıdan ölçülürlerse ölçülsünler bir parçacıkların hangi dönüşe sahip olacağına dair gizli bir bilgiye önceden sahip olmalılardı. Einstein, sadece ölçene kadar biz gözlemcilerin bu “gizli bilgi”ye sahip olmadığımızı söyledi. Einstein’a göre, parçacıklar uzayda aynı noktada oluştukları andan itibaren o “gizli bilgi”, o parçacıkların hepsinin içinde olduğu için, parçacıklar arasında sinyalin ışık hızından hızlı aktarılması gerekmeyecekti. Zaten spinlerinin ne olması gerektiği en başından belliydi. Biz sadece ölçümü yapıyorduk ve gizem perdesini aralamış oluyorduk.
Bilim insanları, parçacıklar hakkında onları ölçünceye dek bilemeyeceğimiz şeyler olduğu fikrini bir süreliğine kabul ettiler. Ama sonra John Bell, bunu test edebilecek bir deney ile çıkageldi. Bu deney, parçacıkların baştan beri gizli bilgi barındırıp barındırmadığını belirleyebilecekti.
Bell Deneyi
Deney, şu şekilde çalışıyordu: İki tane dönüş dedektörü olsun ve her dedektör, spini 3 yönden birinde ölçebilecek şekilde tasarlanmış olsun. Bu spin yönleri rastgele bir şekilde seçilsin ve birbirlerinden bağımsız olsunlar.
Şimdi, dolanık parçacık çiftleri iki dedektöre de gönderilsin ve biz, ikisinin de “aynı”, yani ikisinin de aşağı ya da yukarı olup olmadığını ya da birbirinden farklı olup olmadığını kaydedelim. Bu deneyi rastgele ölçüm yönlerini değiştirerek, tekrar tekrar yapalım. Tekrar sayımız, iki dedektörün ne aralıklarla farklı sonuçlar verdiğinin yüzdesini istatistiki açıdan anlamlı olacak biçimde tespit edebilene dek devam edelim. Ve önemli olan da bu yüzde: Çünkü bu yüzde, parçacıkların baştan beri gizli bilgi taşıyıp taşımadığını bize söyleyecek.
Şimdi bunun niye böyle olduğunu görmek için, yani parçacıkların “gizli bilgileri” olup olmadığını görmek için, farklı ölçümlerin tahmin edilen sıklıklarını ölçelim. Bunu parçacıkların kendi aralarında “gizlice anlaştıkları bir plan” olarak düşünebilirsiniz. Planın gerçekleşebilmesi için gereken tek şart, parçacıkların “ne zaman ölçülürse ölçülsünler, aynı yönde ölçüldükleri müddetçe birbirine zıt spin bilgisi vermeleri gerekmesi”. Yani aynı yönde ölçülen parçacıklar zıt spin sonucu veriyorlarsa, önceden anlaştıklarını varsayabiliriz.
Örneğin, “gizli bilgi”yi taşıyan planlar şu tip 2 anlaşma olabilir:
- “Bir parçacık ne zaman ölçülse, her ölçüm için yukarı spin sonucunu verecek; ikiziyse her ölçüm yönü için aşağı spin sonucunu verecek”.
- “Ölçülen parçacıklardan biri 1. yönde yapılan ölçümler için yukarı spin, 2. yönde yapılan ölçümler için aşağı spin, 3. yönde yapılan ölçümler için yukarı spin sonucunu verirken; ikizi ise 1. yönde yapılan ölçümler için aşağı yönlü, 2. yönde yapılan ölçümler için yukarı yönlü, 3. yönde yapılan ölçümler için ise aşağı yönlü spin sonucunu verecek.”
Geliştirebileceğiniz diğer tüm anlaşma örnekleri, matematiksel olarak birbirinin eşdeğeri olacaktır. Dolayısıyla sadece bu iki planı kullanarak, farklı sonuçların tahmin edilen değerlerini hesaplayabiliriz.
Birinci plana göre sonuçlar her zaman açık bir şekilde %100 olarak birbirinden farklı olacaktır; çünkü plan, ne olursa olsun zıt sonuçları garanti etmektedir. İlk plana göre seçilen yönler de fark etmez.
Ancak ikinci plan için hangi yönlerin seçildiği önemlidir. Örnek vermek gerekirse: Eğer iki dedektör 1. yönde ölçüm yaparsa, A parçacığı “yukarı” dönüş sonucu verecek, B parçacığı da “aşağı” dönüş sonucu verecek. Yani sonuçlar farklı olacak. Ancak onun yerine B detektörü 2. yönde ölçüm yaparsa, her ikisinin spini de yukarı yönlü dönüş olacak, yani aynı sonucu verecek.
Bunu bu şekilde, tüm kombinasyonlar için deneyebiliriz ama sonuç olarak bulduğumuz şey, sonuçların 5/9 oranında (%55) farklı olduğudur. İlk planı kullandığımızdaysa sonuçlar %100 oranında farklı olmalıdır.
Buradaki can alıcı nokta şudur: Eğer parçacıkların önceden paylaştıkları gizli bir bilgi varsa, ikinci plan dahilinde 5/9 oranından daha büyük bir yüzdeyle farklı sonuçlar görmemiz gerekmektedir.
Ne var ki deney sonuçları, sadece %50 oranında farklı olmaktadır. Yani “gizli bilgi” hipotezi işe yaramamaktadır! Bir diğer deyişle bu deney, farklı yönlerde hangi dönüş sonucu vereceklerine dair gizli bir bilgi taşıdıkları varsayımını çürütmektedir.
Peki, öyleyse kuantum mekaniği bu sonuçları nasıl açıklıyor? Şimdi dedektör A’nın ilk yönde ölçüm yaptığını hayal edelim ve sonuç “yukarı” yönlü olsun. Bu durumda anında diğer parçacığın aynı yönde ölçüldüğünde “aşağı” yönlü olacağını biliyoruz – ki bu rastgele olarak, denemelerin 1/3’ünde yaşanıyor. Ancak, eğer B parçacığı diğer iki yönden birinde ölçülürse, yani 60 derece açı yapacak şekilde ölçülürse, yazının başından da hatırlayacağınız gibi sonuç 3/4 kez yukarı yönlü dönüş sonucunu verir. Seçim yönleri 2/3 oranında rastgele bir şekilde seçildiği için B parçacığı 2/3×3/4=1/22/3 \times 3/4 = 1/2 kez yukarı yönlü dönüş sonucu verecektir. Yani iki dedektör de sonuçların yarısında aynı sonucu verecek ve diğer yarısında ise farklı sonuç verecek – ki bu deney sonuçları ile birebir örtüşüyor.
Yani kuantum mekaniği açısından sıkıntı yoktur. Ancak bu sonuçların nasıl yorumlanacağı konusunda tartışma bulunmaktadır. Bazı fizikçiler kuantum parçacıklarının gizli bir bilgi taşımadığı yönünde bir kanıt olarak görüyorlar ve dönüşlerinin ancak ölçüldükleri zaman bir anlam kazandıklarını söylüyorlar. Diğer fizikçiler ise dolanık parçacıkların ölçüldükleri zaman birbirlerini ışıktan hızlı bir şekilde uyararak gizli bilgilerini güncellediklerini düşünüyor.
Peki, bu ışık hızından hızlı bir şekilde iletişim kurabileceğimiz anlamına mı geliyor? Herkes bunun olamayacağı konusunda hemfikir, çünkü dedektörlerden aldığımız sonuçlar, rastgele sonuçlar. Hangi yönde ölçüm yaparsanız yapın ya da diğer dedektörde ne olursa olsun yukarı ya da aşağı yönlü sonuç alma ihtimalimiz %50 oluyor. Sonradan bu gözlemciler bir araya gelip sonuçlarını karşılaştırdıklarında, aynı yönü seçtiklerinde birbirlerine göre farklı sonuç aldıklarını görecekler. İki veri seti de rastgele olacaktır, ancak diğer tarafın ölçtüğünün karşıtı bir şekilde rastgele olacaktır. Bu gerçekten de tuhaf bir durum, ancak iki yönlü iletişime izin vermiyor, yani bunun bilgi iletimine bir faydası olmaz. Bilginin ışıktan hızlı aktarılmasını sağlamıyor, yani görelik kuramını ihlal etmiyor.
Kuantum Dolanıklık Nasıl Yaratılır?
Birçok popüler bilim sitesi ve popüler bilim kitabı “dolanık parçacıklar” veya “dolanıklık” gibi kavramlardan söz eder; ancak neredeyse hiçbiri, bu dolanıklığın Dolanık parçacıklar olduğu zamanki fiziğin garip yönlerinden bahseden birçok popüler bilim makalesini okuduğunu da belirtti, ancak bu makaleler, bu iki parçacığın nasıl birbirine dolanık hale getirildiği detaylarına değinmiyordu. Yazımızın bu kısmında, kuantum dolanıklık elde etmekte kullanılan 4 ayrı yöntemi anlatacağız.
Yöntem-1: “Doğuştan” Gelen Dolanıklık
Günümüze kadar yapılmış kuantum dolanıklık deneylerinin çoğunda, iki fotonu birbirine dolanıklaştırmak çok kolay olduğundan, dolanık parçacıklar olarak fotonlar kullanıldı. İnsanların fotonlarda kuantum dolanıklık elde etmek için kullandıkları yöntemlerin çoğu da en başından (oluşumlarından) itibaren dolanıklığın oluşmasını sağlıyor.
Tarihsel olarak bunu yapmanın yöntemi, 1980’lerin başında Alain Aspect ve meslektaşları tarafından klasik deneylerde ve bu tarihten biraz önce de Freedman ve Clauser tarafından yapıldığı gibi “kaskat geçişi” kullanmak. Bu deneylerde bir grup kalsiyum atomu, elektronun tek bir foton yayarak temel haline geri dönemeyeceği yüksek bir enerji seviyesine getiriliyor. Bunun yerine kısa süreliğine orta seviyeye geçip iki foton yayarak parçalanıyor. Bir fotonun yayılımından birkaç nanosaniye sonra ikincisi de gerçekleşiyor. Bu yüzden birini görürseniz, ikincisinin de yakın bir zamanda gerçekleşeceğini tahmin edebilirsiniz. Bu fotonlar rastgele yönlere doğru yayılmasına rağmen, ters yönlere yayıldıklarında açısal momentuma göre polarizasyonları birbirleriyle ilişkili olacaktır: Yani, birbirine dolanık halde olacaklardır.
Kaskat yöntemleri iyi sonuç verse de epey yavaştır; çünkü her atom rastgele foton yaydığı için, doğru yönlere doğru yayılan iki fotonun dedektörlerinize yakalanması zaman alabilir. Kuantum dolanıklık olayı, tek yüksek seviyeli fotonları başlangıç enerjilerinin yarısına sahip foton çiftlerine dönüştürmek için lineer olmayan optik kristaller kullanan parametrik aşağı dönüşüm kaynaklarının geliştirilmesiyle ilerleme kaydetmiştir.
Bu kristallerden birine parlayan mor bir lazer (en yaygın kullanılan malzeme BBO olarak da bilinen beta baryum borattır) tutulduğunda, az sayıda yakın-kızılötesi foton çifti üretecektir. Süreçte hala biraz rastlantısallık olsa da, momentumun korunumu, foton çiftlerinin orijinal lazer ışınları etrafındaki bir koninin zıt taraflarında çıkmasını gerektirir ve bu, fotonları yakalamak için iki dedektörü doğru yere koymanızı sağlar. Böylece kristalin (aslında, birbirine düzgünce yapışmış iki ince kristalin) doğru ayarlanmasıyla, iki fotonun polarizasyonu tam dolanıklığı gösterecek şekilde ilişkili olacaktır.
Bu parametrik aşağı dönüşüm kaynakları size çok daha yüksek bir sayım oranı sağlayarak, deneylerin absürt istatistiksel değerler elde etmesine olanak tanır. Temel sistem de bir üniversite laboratuvar deneyi olabilecek kadar basittir. Bunlar, aynı zamanda, kuantum ışınlanma ve daha birçok kuantum bilgi deneyleri için de temel kaynaklardır.
Başlığı Einstein’ın “uzaktan ürpertici etkileşim” şeklindeki alaycı tanımına atıfta bulunan bir haber okursanız, bu haberin aslında parametrik aşağı dönüşüm kullanan deneylerden birinden bahsetme olasılığı yaklaşık %75 olacaktır.
Yöntem-2: İkinci Kuşak Dolanıklık
Fotonlar, kuantum dolanıklığını kanıtlama ve bilgi iletme konusunda çok iyi olsa da dünya yalnızca fotonlardan ibaret değil. Tabii fotonların bazı büyük dezavantajları da mevcut. Bu dezavantajlardan en önemlisi, tanımları gereği, sürekli ışık hızına yakın bir hızla hareket ettiklerinden, onları etrafta tutmanın zor olmasıdır. Dolanıklık için “madde parçacıklarının” kullanılması birçok nedenden dolayı daha iyidir, çünkü bunları daha uzun bir süre boyunca etrafta tutmak daha kolaydır.
Bunu yapmanın akla gelen ilk yollarından biri, dolanıklıkla üretilen bir çift fotonu alıp, söz konusu fotonları çekebilen bir çift atoma yönlendirmektir. Böylece foton çekiminin sonucu fotonların polarizasyonuna bağlı olacaktır ve polarizasyonlar da belirsiz ama birbiriyle ilişkili olduğundan, deney, yine durumları belirsiz ama ilişkili olan iki atomla sonuçlanacaktır.
Pratikte bu biraz zordur; çünkü kolayca elde edebileceğiniz dolanık foton türleri, uzun süren atom durumlarına kolayca bağlanmaz. Tabii yeterince zeki ve donanımlıysanız, bunu yapacak bir yöntem bularak, fotonların dolanıklığını, bu fotonları çeken atomların dolanıklığına dönüştürebilirsiniz.
Bu Reklamı Kapat
Yöntem-3: Rastlantısal Dolanıklık
Bu metot, önceki metodu tersine çeviren, akıllıca bir numaradır. Yani deney, farklı konumlarda bulunup foton yayan bir çift atomla başlar. Bu fotonları doğru şekilde bir araya getirmek, onları tıpkı esas atomlarda olduğu gibi birbirine dolanık hale getirebilir.
Bu yöntemde kullanılan iyonlar, bir fotonu iki polarizasyon yönteminden biriyle yayarak parçalanabilecek kadar uyarılmış durumdadırlar. Yayılan fotonları toplayıp iki fotodedektörün çıkışına denk gelecek şekilde bir ışık demeti bölücüsünde bir araya getirmeniz mümkündür.
Bu konfigürasyonda, iki foton cihaza her ulaştığı zamanın 25%’inde, cihazın her çıkışında bir foton saptanacaktır. Bu olay gerçekleştiğinde iki fotonun farklı polarizasyonlarının olduğunu, bunun da iki iyonun farklı durumlarda bulunduğu anlamına geldiğini, kuantum optiğinden biliyoruz. Ancak hangi iyonun hangi fotonu yaydığının bilinmesine imkan yoktur. Bu yüzden, iki iyon birbirine dolanık duruma gelmektedir: Eğer iyonların durumlarını ayrı ayrı ölçerseniz, rastgele sonuçlar elde edersiniz; fakat bu sonuçların listesini birçok tekrar üzerinden karşılaştırırsanız, iyonların birbiriyle tamamen ilişkili olduğunu görürsünüz.
Bu, yapısı gereği olasılığa dayanan bir deneydir ve 2000’lerin başında yapılan bu tür deneyler çok yavaştı. Günümüzde deneyin temel şemasında bazı düzeltmeler yapılmış olsa da, bu yöntem, halen parametrik aşağı dönüşümle elde edilen dolanık parçacıklar kadar pratik bir kaynak sayılmamaktadır. Yine de son derece havalı bir yöntem, çünkü iki iyon hiçbir zaman birbirine yaklaşmıyor bile – ikisi de lazer masasının farklı yerlerindeki ayrı vakum odalara “hapsediliyor”. Bir araya getirilen tek şey yaydıkları ışık oluyor; fakat iyonları dolanık hale getirmek ve sonrasında o sıradışı sonuçları almak için bu bile yeterli oluyor.
Yöntem-4: Etkileşimle Elde Edilen Dolanıklık
Önceki metodun en ilgi çekici kısmı (yani iyonların sürekli birbirinden ayrı olması), bizi dolanıklık oluşturmanın son metoduna getirmektedir: iki fotonu bir araya getirip parçacıkların son durumları birbirine bağlı olacak şekilde etkileşime girmelerini sağlamak… Bu da zaten dolanıklık durumunun temel tanımıdır.
Bunu yapmanın birçok yolu vardır, bunların çoğu da farklı kuantum hesaplama şemalarıyla ilişkilidir; ama bunlardan biri olan “Rydberg kuşatması”, hayal etmesi en kolay şemadır. Buradaki temel fikir, taban halinde olan ve aralarında çok küçük bir mesafe olan iki atomdur: Bunlar birbirlerini etkilemez, fakat uyarılıp yüksek bir enerji seviyesine getirildikleri halde (atom fiziği jargonunda buna “Rydberg durumu” denir) uzun aralıklarla etkileşime girip birbirlerinin enerji seviyelerine etki edebilirler.
Eğer bunu düzgünce uygularsanız, bir atomu uyarıp Rydberg durumuna getirmeniz diğerinin enerjisini öyle değiştirecektir ki, aynı lazerle bir daha uyarılamayacaktır. Yani, bir atoma taban hali ve Rydberg durumu süperpozisyonunda bulunması için lazer atımı uygulayıp, ardından ikinci atomu uyarmaya çalıştığınız zaman, ilk atomla tamamen negatif ilişkili bir süperpozisyonda bulunacaktır: İlk atomun taban halinde bulunan kısmı ikinci atomun Rydberg durumunda bulunan kısmıyla ve Rydberg durumda olan kısım da ikinci atomun taban halindeki durumuyla eşleşecektir. Başka bir deyişle, iki atom birbirine dolanık olacaktır.
Kuantum Dolanıklık Üretmenin Temel Mantığı
Tüm bunlar, her ne kadar belirsiz ama birbiriyle ilişkili durumlara yol açan bir etkileşimin basit birer örneği olsa da, ana fikri açıklamaya yetmektedir. Ne zaman iki sistemi bir parçacığın son halinin diğer parçacığın ilk haline bağlı olacak şekilde bir araya getirebilirseniz, ilk halinin kuantum süperpozisyonunu yaratarak kuantum dolanıklık elde edebilirsiniz. Tabii bu, ikisi de belirsiz durumlarda olan ve bulundukları durumların her değeri birbiriyle ilişkili (veya negatif ilişkili) olan iki parçacığın elde edilmesine neden olacaktır. Bu hem muhteşem, hem de neredeyse her kuantum hesaplama şemasının temelinde olan bir fikirdir.
Tüm bu şemaların ortak noktası, yani dolanıklığın yalnızca yerel anlamda oluşturulduğu da dikkat edilmesi gereken bir husustur. Bu, şemaların ya er geç aynı konumda bulunacak birbirine dolanık parçacıklar içerdiği (dolanık fotonlar aynı atom veya giriş fotonundan geliyor ve birbiriyle etkileşime giren atomlar birbirine yakın oluyor), ya da ışık hızını geçmeyen bir hızla aralarından geçen bir şey aracılığıyla (örneğin atomları ayırmak için atomdan uzaklaşan dolanık foton çifti veya demet bölücüye doğru hareket eden iki iyondan çıkan fotonlar) etkileşime girdikleri anlamına geliyor. Bu, dolanıklığın “tuhaflığını” sürdürmek için önemli bir özelliktir. Ortak bir geçmişi olmayan iki parçacığı keyfi olarak dolanık hale getiremezsiniz – ki bu, dolanıklıktan medet umarak yapılan birçok paranormal fenomenleri doğrulama girişimlerinin geçersizliğini göstermektedir.