Kuantum Dünyasında Da Bir Hız sınırı Geçerli!

Yapılan çalışma, karmaşık kuantum işlemleri için gerekli olan minimum süreyi belirliyor. Kendi kurallarına sahip en küçük parçacıkların dünyasında bile işler sonsuz hızda ilerleyemez. Bonn Üniversitesi’ndeki fizikçiler, en son çalışmalarında karmaşık kuantum işlemleri için hız sınırının ne olduğunu gösterdiler. Elde edilen sonuçlar ise, diğer şeylerin yanı sıra, kuantum bilgisayarların geliştirilmesi açısından oldukça önemli.

Yılbaşı gecesi, gece yarısından sadece birkaç dakika önce bütün bir tepsi şampanya bardağını servis etmek zorunda olan bir garsonu gözlemlediğinizi varsayalım. Misafirden misafire en yüksek hızda koştuğunu farz edelim. Uzun yıllar boyunca mükemmelleşen tekniği sayesinde, yine de değerli sıvının tek bir damlasını bile dökmemeyi başarıyor. Küçük bir numara, onun bunu yapmasına yardımcı oluyor. Garson adımlarını hızlandırırken, tepsiyi biraz eğiyor ki şampanya bardaklardan dökülmesin. Masaya giden yolun yarısına geldiğinde, tepsisini tam tersi yöne eğerek yavaşlıyor. Ancak garson tamamen durduğunda tepsiyi tekrar dik tutuyor.

Atomlar bazı yönlerden şampanyaya benzer. Bilardo topu gibi değil, daha çok bir sıvı gibi davranan madde dalgaları olarak tanımlanabilirler. Dr. Andrea Alberti, “Ve o zaman bile, bu taşımanın aşamayacağı bir hız sınırı vardır.” diyor.

Şampanya = Sezyum Atomu

Araştırmacılar çalışmalarında, bu sınırın tam olarak nerede olduğunu deneysel olarak araştırdılar. Şampanya yerine bir sezyum atomu ve mükemmel bir şekilde üst üste bindirilmiş, ancak tepsi olarak birbirlerine karşı yönlendirilmiş iki lazer ışını kullandılar. Fizikçilerin müdahalesi olarak adlandırılan bu üst üste binme, durağan bir ışık dalgası yarattı, bu da hareket etmeyen bir dizi ‘dağ’ ve ‘vadi’ oluşturdu. Alberti, “Atomu bu vadilerden birine yükledik ve ardından duran dalgayı harekete geçirdik – bu, vadinin konumunu değiştirdi” diyor. “Amacımız, tabiri caizse atomu vadiden dışarı dökülmeden mümkün olan en kısa sürede hedef konuma ulaştırmaktı.”

Mikro kozmosta bir hız sınırı olduğu gerçeği, Leonid Mandelstam ve Igor Tamm tarafından teorik olarak kanıtlanmıştı. Bir kuantum işleminin maksimum hızının enerji belirsizliğine, yani manipüle edilmiş parçacığın olası enerji durumlarına göre ne kadar “özgür” olduğuna bağlı olduğunu gösterdiler. Yani parçacık ne kadar enerjisel özgürlüğe sahipse, o kadar da hızlıydı. Sezyum atomunun hapsolduğu vadinin derinliklerinde, vadideki kuantum enerjisi o kadar hızlı yayılır ki sonuç olarak atom hızlı taşınır. Garson örneğinde de benzer bir şey görülebilir. Bardakları sadece yarı dolu doldurursa, garson hızlanıp yavaşladıkça şampanya dökülme riski azalır. Bununla birlikte, bir parçacığın enerjisel özgürlüğü keyfi olarak arttırılamaz. Alberti, bu konuda ise “Vadimizi sonsuz derinliğe getiremeyiz. Bu bize çok fazla enerjiye mal olur.” diyor.

Mandelstam ve Tamm’in hız sınırı temel bir sınırdır. Bununla birlikte, kişi ona yalnızca belirli koşullar altında, yani yalnızca iki kuantum durumuna sahip sistemlerde ulaşır. Alberti, “Bizim durumumuzda, başlangıç ​​ve varış noktası birbirine çok yakın olduğunda bu olur” diye açıklıyor. “O zaman atomun her iki konumdaki madde dalgaları üst üste gelir. Ve atom tek seferde, yani arada herhangi bir durak olmadan doğrudan hedefine taşınır. Neredeyse ışınlanma gibi, değil mi?”

Bununla birlikte mesafe Bonn deneyinde olduğu gibi düzinelerce madde dalga genişliğine ulaştığında durum farklı oluyor.

Bu mesafeler için doğrudan ışınlanma imkansız. Bunun yerine, parçacık nihai hedefine ulaşmak için birkaç ara durumdan geçmeli. İki seviyeli sistem çok seviyeli bir sistem haline gelmeli. Çalışma, bu tür süreçler için iki Sovyet fizikçisinin öngördüğünden daha düşük bir hız sınırının geçerli olduğunu gösteriyor. Ve bu da, aynı zamanda ara durumların sayısı ile de belirleniyor. Bu şekilde çalışma, karmaşık kuantum süreçlerinin ve bunların kısıtlamalarının teorik anlayışını geliştiriyor.

Fizikçilerin bulguları, en azından kuantum hesaplamaları için önemli değil. Kuantum bilgisayarlarla mümkün olan hesaplamalar çoğunlukla çok seviyeli sistemlerin manipülasyonuna dayanmakta. Yine de kuantum durumları çok kırılgan oldukları için fizikçiler, buna tutarlılık süresi derler. Ve gerçekten çok kısa sürerler. Bu nedenle, mümkün olduğunca çok sayıda hesaplama işlemini bu süreye sığdırmak önemlidir. Alberti, “Çalışmamız tutarlılık süresi içinde gerçekleştirebileceğimiz maksimum işlem sayısını ortaya koyuyor” diye açıklıyor. “Bu da, tutarlılık süresini en iyi şekilde kullanmayı mümkün kılıyor.

Çalışma, SFB / TR 185 OSCAR’ın bir parçası olarak DFG* tarafından finanse edildi. Finansman, ayrıca Reinhard Frank Vakfı ve Alman Technion Topluluğu ile de işbirliği içinde.

DFG* Alman Araştırma Vakfı