Kuantum Fizikçileri Zamanı Tersine Çevirdi

Kuantum Fizikçileri Zamanı Nasıl Tersine Çevirdiler

İki ekip fotonların sanki zaman aynı anda iki yönde akıyormuş gibi davranmasını sağladı. Deneyler, kuantum cihazlarının performansını potansiyel olarak artırmanın bir yolunu gösteriyor.

Fizikçiler, ışık parçacıklarının aynı anda zıt dönüşümler geçirmesini sağladılar; tıpkı bir insanın kurt adama dönüşmesi ve kurt adamın da insana dönüşmesi gibi. Dikkatle tasarlanmış devrelerde fotonlar, sanki zaman ileri ve geri kuantum kombinasyonunda akıyormuş gibi hareket ediyor.

İskoçya’daki Glasgow Üniversitesi’nde kuantum fizikçisi olan ve araştırmada yer almayan Sonja Franke-Arnold, “İlk kez, her iki yönde de giden bir zaman yolculuğu makinemiz var” dedi.

Ne yazık ki bilim kurgu hayranları için cihazların 1982 model bir DeLorean ile hiçbir ortak yanı yok. Çin ve Avusturya’da iki bağımsız ekip tarafından yürütülen deneyler boyunca laboratuvar saatleri sürekli olarak ileri doğru işlemeye devam etti. Sadece devreden geçen fotonlar zamansal saçmalıklar yaşadı. Fotonlar için bile araştırmacılar zamanın okunun çevrilmesinin gerçek mi yoksa simülasyon mu olduğunu tartışıyor.

Her iki durumda da bu kafa karıştırıcı fenomen yeni tür kuantum teknolojilerine zemin hazırlayabilir.

Bristol Üniversitesi’nde araştırmacı olan Giulia Rubino, “Bilginin her iki yönde de akabileceği devreler tasarlayabilirsiniz” dedi.

Her Zaman Her Şey Aynı Anda

Fizikçiler ilk kez on yıl önce kuantum mekaniğinin garip kurallarının sağduyulu zaman kavramlarını alt üst ettiğini fark ettiler.

Kuantum garipliğinin özü şudur: Bir parçacığı aradığınızda, onu her zaman tek, noktasal bir konumda tespit edersiniz. Ancak ölçülmeden önce, bir parçacık daha çok bir dalga gibi davranır; birden fazla rotaya yayılan ve dalgalanan bir “dalga fonksiyonuna” sahiptir. Bu belirsiz durumda, bir parçacık süperpozisyon olarak bilinen olası konumların kuantum karışımında bulunur.

Şu anda Hong Kong Üniversitesi’nde fizikçi olan Giulio Chiribella ve ortak yazarlar, 2013 yılında yayınlanan bir makalede, uzaydaki konumların süperpozisyonunun bir adım ötesine geçerek, olayları zamansal düzenlerin süperpozisyonuna sokacak bir devre önerdiler. Dört yıl sonra Rubino ve meslektaşları bu fikri doğrudan deneysel olarak gösterdiler. Bir fotonu iki yolun süperpozisyonuna gönderdiler: biri A olayını ve ardından B olayını deneyimlediği, diğeri ise B’yi ve ardından A’yı deneyimlediği yol. Bir anlamda, her olay diğerine neden oluyor gibi görünüyordu, bu da belirsiz nedensellik olarak adlandırılan bir olguydu.

Zaman ilerlerken sadece olayların sırası ile uğraşmakla yetinmeyen Chiribella ve meslektaşı Zixuan Liu, daha sonra zamanın kendisinin ilerleme yönünü veya okunu hedef aldılar. Zamanın geçmişten geleceğe ve tam tersine aktığı bir süperpozisyona girdiği bir kuantum aygıtı aradılar.

Bunu yapmak için Chiribella ve Liu, kolu sağa ya da sola sallanabilen bir metronom gibi zıt değişimler geçirebilen bir sisteme ihtiyaçları olduğunu fark ettiler. Böyle bir sistemi, bir müzisyenin kuantum metronomu aynı anda sağa ve sola doğru hareket ettirmesine benzer bir süperpozisyona sokmayı hayal ettiler. Böyle bir sistemi 2020’de kurmak için bir şema tanımladılar.

Optik sihirbazları hemen laboratuarda zamanın düello oklarını inşa etmeye başladılar. Geçen sonbaharda iki ekip başarılarını ilan etti.

İki Zamanlı Bir Oyun

Chiribella ve Liu, yalnızca kuantum iki zamanlayıcısının başarılı olabileceği bir oyun tasarlamıştı. Oyunu ışıkla oynamak, fotonları A ve B olmak üzere iki kristal aygıttan geçirmeyi içeriyor. Bir aygıttan ileri doğru geçmek, bir fotonun polarizasyonunu aygıtın ayarlarına bağlı bir miktarda döndürüyor. Aygıttan geriye doğru geçmek ise polarizasyonu tam tersi şekilde döndürür.

Oyunun her turundan önce, bir hakem gizlice aygıtları iki yoldan birine ayarlar: A’dan ileri, sonra B’den geri giden yol, bir fotonun dalga fonksiyonunu ya zamanın tersine çevrilmiş yola (A’dan geri, sonra B’den ileri) göre kaydıracak ya da kaydırmayacaktır. Oyuncu, hakemin hangi seçimi yaptığını bulmalıdır. Oyuncu aletleri ve diğer optik unsurları istediği gibi düzenledikten sonra, labirentten bir foton gönderir, belki de yarı silik bir ayna kullanarak onu iki yolun süperpozisyonuna böler. Foton iki dedektörden birine ulaşır. Eğer oyuncu labirentini yeterince akıllı bir şekilde kurmuşsa, fotonun bulunduğu dedektörün tıklaması hakemin seçimini ortaya çıkaracaktır.

Oyuncu devreyi foton her bir aygıttan sadece tek bir yönde geçecek şekilde kurduğunda, A ve B belirsiz bir nedensel sırada olsa bile, dedektörün tıklaması zamanın en fazla %90’ında gizli aygıt ayarlarıyla eşleşecektir. Ancak foton, her iki aygıtta da ileri ve geri giden bir süperpozisyon yaşadığında – “kuantum zaman çevirmesi” olarak adlandırılan bir taktik – oyuncu teorik olarak her turu kazanabilir.

Geçen yıl, Chiribella’nın danışmanlığını yaptığı Çin’in Hefei kentindeki bir ekip ile fizikçi Časlav Brukner’in danışmanlığını yaptığı Viyana’daki bir ekip kuantum zaman kaydırma devreleri kurdu. Viyana ekibi 1 milyon tur boyunca %99,45 oranında doğru tahminde bulundu. Chiribella’nın grubu ise turların %99,6’sını kazandı. Her iki ekip de teorik %90 sınırını aşarak fotonlarının iki karşıt dönüşümün süperpozisyonunu ve dolayısıyla belirsiz bir zaman okunu deneyimlediğini kanıtladı.

Zaman Dönüşünü Yorumlamak

Araştırmacılar kuantum zaman taklasını gerçekleştirmiş ve adlandırmış olsalar da, hangi kelimelerin yaptıklarını en iyi şekilde yansıttığı konusunda tam bir fikir birliği içinde değiller.

Chiribella’ya göre deneyler zamanın okunun çevrilmesini simüle etti. Gerçekte zamanın okunu çevirmek için uzay-zaman dokusunu, zamanın farklı yönlere işaret ettiği iki geometrinin süperpozisyonu şeklinde düzenlemek gerekir. “Açıkçası, deney zamanın okunun tersine çevrilmesini gerçekleştirmiyor” dedi.

Bu arada Brukner, devrelerin simülasyonun ötesinde mütevazı bir adım attığını düşünüyor. Fotonların ölçülebilir özelliklerinin, iki uzay-zaman geometrisinin gerçek bir süperpozisyonundan geçmeleri halinde tam olarak değişeceğine dikkat çekiyor. Ve kuantum dünyasında, ölçülebilenin ötesinde bir gerçeklik yoktur. “Durumun kendisine bakıldığında, simülasyon ile gerçek arasında hiçbir fark yoktur” dedi.

Kabul etmek gerekir ki, devre sadece polarizasyon değişiklikleri geçiren fotonları zaman atlatabilir; eğer uzay-zaman gerçekten bir süperpozisyonda olsaydı, düello zaman yönleri her şeyi etkilerdi.

İki Sıralı Devreler

Felsefi eğilimleri ne olursa olsun, fizikçiler aynı anda iki şekilde akan kuantum devreleri tasarlama becerisinin kuantum hesaplama, iletişim ve metroloji için yeni cihazlar sağlayabileceğini umuyorlar.

Fransa’daki Néel Enstitüsü’nde kuantum bilgi teorisyeni olan Cyril Branciard, “Bu, işlemleri sadece bir sırayla ya da başka bir sırayla uygulamaktan daha fazla şey yapmanıza olanak tanıyor” dedi.

Bazı araştırmacılar kuantum zaman çevirmenin zaman yolculuğu özelliğinin gelecekte bir kuantum “geri alma” işlevini mümkün kılabileceğini düşünüyor. Diğerleri ise aynı anda iki yönde çalışan devrelerin kuantum makinelerinin daha verimli çalışmasını sağlayabileceğini öngörüyor. Rubino, bir görevi yerine getirmek için gereken adım sayısını kastederek, “Bunu sorgu karmaşıklığını azaltmak istediğiniz oyunlar için kullanabilirsiniz” dedi.

Bu tür pratik uygulamalar kesin olmaktan uzaktır. Zaman kaydırmalı devreler Chiribella ve Liu’nun tahmin oyununda teorik bir performans sınırını aşmış olsa da, bu sadece tek yönlü devrelere göre avantajlarını vurgulamak için hayal edilmiş oldukça yapmacık bir görevdi.

Ancak tuhaf, görünüşte niş kuantum fenomenlerinin yararlı olduklarını kanıtlama konusunda bir becerileri vardır. Ünlü fizikçi Anton Zeilinger, kuantum dolanıklığın -ayrı parçacıklar arasındaki bir bağlantı- hiçbir işe yaramadığına inanırdı. Bugün dolanıklık, yeni ortaya çıkan kuantum ağlarındaki düğümleri ve prototip kuantum bilgisayarlarındaki kübitleri birbirine bağlıyor ve Zeilinger’in bu fenomen üzerindeki çalışması ona 2022 Nobel Fizik Ödülü’nden bir pay kazandırdı. Franke-Arnold, kuantum zamanın çevrilebilir doğası için “henüz çok erken” diyor.

Kaynak: https://www.quantamagazine.org/how-quantum-physicists-flipped-time-and-how-they-didnt-20230127/