Ünlü düşünce deneyi Schrödinger ‘in Kedisi, yaratıcısının başlangıçta düşündüğü kadar saçma olmayabilir. 1935’te Albert Einstein ve meslektaşlarının ortaya koyduğu kuantum dolanıklık teorisi, uzak parçacıklar arasında etkileşim olduğunu söyler.
Einstein, daha en baştan bu şekilde garip bir uzaktan etkileşme fikrine sıcak bakmamıştır. Onun düşüncesine göre kuantum karmaşasının varlığı, başlamak için fazla istekli olmadığı kuantum teorisinin bir şekilde kusurlu olduğunu veya henüz tam olarak anlaşılmadığını ifade ediyordu.
Kuantum teorisinin ilginç bir konusu olan kuantum dolanıklık, dolanık olan iki parçacıktan birinin sahip olduğu belli özelliklerin diğerinin durumuna bakılarak bilinebileceğini söyler, hatta bu iki parçacık arasında kozmik bir mesafe olsa bile.
Tuhaf, değil mi? İşin Einstein için üzücü olan tarafı, kuantum dolanıklığın varlığı birçok defa ispatlanmıştır. Fakat bu ispatlar şimdiye kadar hep atom altı düzeyde yapılmıştır. Kuantum teorisi evrenin en küçük bileşenlerinin nasıl çalıştığını ve atom, molekül, elektron, foton gibi kavramların davranışlarını daha iyi anlamamızı sağlar.
Ve bunu çok etkili biçimde yapar: Seçkin fizikçi Richard Feynman kuantum teorisinin New York ile Los Angeles arasındaki mesafeyi saç telinin genişliğine göre ölçmek kadar doğru sonuç vereceğini belirmiştir.Fakat kuantum düzeyindeki parçacıkların davranışları, insan ölçeğindeki objelerin davranışlarından oldukça farklılık göstermektedir.
Einstein’a Göre Çok Garip : Kuantum teorisinin kilit ilkelerinden biri, bir parçacığın aynı zamanda birden fazla farklı yerde olabileceği fikridir.İlginç biçimde kuantum parçacıkları, etraflarındaki çevreyle etkileşime girmediğinde veya konumları özel olarak ölçülmeye çalışıldığında belirli bir konuma sahip değiller.Aslında var olan her şey bu parçacıkların belli bölgelerde bulunma ihtimallerinden oluşur. Bu bulunma durumuna süperpozisyon durumu adı verilir.
Bu düşünce Schrödinger’in kedisinin aynı anda hem ölü hem de canlı olabileceği fikrini oluşturan temel düşüncedir. Bu bize, “klasik fiziğin” öngörülebilir hassasiyetine uyan günlük makroskobik nesneler ile olasılık kurallarının geçerli olduğu kuantum evrenindeki küçük nesnelerin mikroskobik dünyası arasında şaşırtıcı bir ayrım sağlar.
Einstein bu düşünce karşısında öyle dehşete kapılmıştı ki, “Bir fizikçiden ziyade bir kumarhanede, hatta bir oyun evinde çalışan olmayı tercih ederim.” demiştir. Einstein, 1930’larda bu fikre karşı itirazlarda bulunduğunda bu düşünceyi deneysel olarak ispatlamak pek mümkün değildi.
Ancak 1970’lerde bu kavram deneysel olarak test edilebilir hale geldi ve o zamandan beri birçok başarılı dolanıklık deneyi yapıldı. Dolanıklığın birkaç tane pratik uygulaması dahi vardır. Bunlardan biri kuantum şifrelemesidir. Bu uygulama ilhamını yaklaşık 100 yıl önce “bir defalık ped” olarak adlandırılan katılmaz bir şifre yaratmak üzere çalışan Amerikan bankacı ve kriptografi uzmanı Frank Miller’dan alıyor.
Onun fikri hem gönderene hem de alıcıya rastgele değerlerden oluşan bir anahtar vermekti, ancak bu yaklaşım yüzde yüz güvenli aktarımı sağlamıyordu çünkü bu anahtarın hem gönderene hem de alıcıya gönderilmesi gerekecekti ve böylece ele geçirilebilir olacaktı.
Bununla birlikte, kuantum dolanıklığı, geniş ölçüde ayrılmış konumlarda bile otomatik olarak rastgele değerler oluşturduğundan ve ayrıca parçacıkların dolanık durumda olup olmadığını kontrol etmeyi mümkün kıldığından, üçüncü bir tarafın parçacıklar hedeflerine ulaşmadan önce rastgele değerli anahtarı okumasını imkansız kılmaktadır. Çinli araştırmacılar bu prensibi test ettiler ve bulundukları yerden 1.200 kilometre uzaklıktaki mesafelere dolanık fotonlar yolladılar.
Işınlanma Cihazı: Kuantum dolanıklık ışınlanmayı da mümkün kılıyor. Dolanma olmadan bir kuantum partikülükopyalamak mümkün değil, çünkü parçacığı gözlemlemek parçacığın özelliklerini özel başka bir duruma değiştirecektir. Fakat kuantum dolanıklık sayesinde bir parçacığın durumu değiştirilmeden başka birine iletilebilir.
Bu Star Trek’teki ışınlayıcının küçük ölçekteki versiyonu gibi, gerçek ışınlanma düşüncesi uzaktan kopyalama yapmakla ve onları hareket ettirmeden parçacıkların özelliklerini aktarmakla ilgilidir. Uygulamayı, çok fazla atom içerdiklerinden dolayı insanlar üzerinde kullanmak çok pratik olmayacaktır. Ancak, işlem kuantum bilgisini bir yerden başka bir yere aktarabilir, bu da kuantum bilgisayarları oluşturmak için çok önemlidir. Standart bilgisayarlarda, bitler 0 ya da 1 değerlerine sahiptir.
Kuantum bilgisayarlarda bitlerin yerini alan kübitler, 0 ve 1 olasılıklarını eş zamanlı olarak birleştirerek, özel programların geleneksel bir bilgisayarda çalıştığından çok daha hızlı çalışmasını mümkün kılar. Kuantum olayları laboratuvarların dışında günlük hayatta da sürekli meydana gelir.
Madde ve başka bir madde veya ışık arasındaki etkileşimler bir kuantum sürecine bağlıdır.Tüm elektronik cihazların çalışması kuantum fenomenine bağlıdır, hatta hidrojen çekirdeklerinin kaynaşmasını ve enerji üretmesini sağlayan kuantum parçacıklarının olasılıklı doğası olmasaydı Güneş bile var olamazdı. Kuantum fenomeninin biyoloji üzerindeki etkisi de anlaşılmaya başlanıyor.
Örnek olarak, kuantumun bitkilerin fotosentez sürecinde enerjinin bitkinin uygun kısmına yönlendirilmesi üzerinde de etkisi olduğu biliniyor. Dolanıklık ayrıca güvercinlerin ve kızıl gerdan kuşlarının yönlerini bulabilmesine olanak sağlar. Bu kuşlar, görünüşe bakılırsa gözlerindeki kuantum dolanıklıksayesinde Dünya’nın manyetik alanını sezebiliyorlar.
Göze gelen ışık elektronları enerjisini arttırıyor. “Spin” olarak adlandırılan bu elektronlar Dünya’nın manyetik alanındaki küçük değişimlerden etkilenir ve kuantum dolanıklığının kuşun farklı elektronları birbirine bağlayarak bir resim oluşturmasına olanak sağladığı düşünülmektedir.
Ölçeği Büyütmek: Peki, kuantum fenomeni atomlar ve moleküllerden büyük nesnelere uygulanabilir mi? Cevap uygulanabileceği yönünde. Delft Teknoloji Üniversitesi’ nden Dr. Simon Gröblacher ve meslektaşları iki mikroskobik silikon çubuğu dolanık hale getirdi. Bu çubuklar 1 metrenin milyonda 10×1×0.5’i boyutunda ve böylece insan saçından daha incedir. İçlerinde lazer ışığından gelen enerjiyi emen ve bu sayede titreşmeyi sağlayan cepler bulunur. Lazer ışığı, çubukların dolanık hale geldiklerinde ki titreşim durumlarına göre yerleştirilir.
Bu çok sıradışı. Genellikle bu büyüklükteki nesnelerde, nesnenin içindeki farklı atomlar ve ilişkili olduğu tüm atomlar arasındaki etkileşim, ‘uyumsuzlaşma’ adı verilen bir süreçle sistemdeki dolanıklığı yok eder. Peki bir çift silikon çubuğu dolanık hale getirmek mümkünse bune kadar ileri götürebilir?Yaşayan organizmaları dolandırabilir miyiz?
Kuantum biyolojisi yeni yeni gelişmekte olan bir alan, fakat Gröblacher’inki gibi deneylerin ışığında, bazı bilim adamları kuantum etkisini kullanarak yaşayan organizmalar için dolanıklık oluşturmak ve içerinde süper pozisyon durumu yaratmak için deneyler yapıyor. Bir grup insan bunun çoktan olduğunu düşünüyor.
2016 yılında, Sheffield Üniversitesi’nden Dr. David Coles ve meslektaşları yeşil sülfür bakterilerine doğru iki aynanın arasındaki dar aralıkta yansıyan bir ışık gönderdiler.Deney fotosentezi incelemek için tasarlandı, ancak daha sonra verileri analiz ederken, Oxford Üniversitesi’ndeki kuantum fizikçi Dr.ChiaraMarletto liderliğindeki bir grup yeşil kükürt bakterileri içindeki moleküllerin ışığın fotonları ile dolanık hale geldiğini gözlemledi.
Dolanıklığı kanıtlamak için foton ve bakteri düzeyinde bağımsız şekilde ölçümler yapılması gerektiği ve bu belirli ölçümlerbu deneyin koşullarında yapılamadığı için kuantum etkisinden yüzde yüz emin olunamamıştır. Marletto bu etkileşimin yaşayan organizmalarda oluşturulmasının, kuantum parçacıklarında oluşturmaktan çok daha zor olduğunu belirtmiştir. Marletto “Kuantum biyolojisinde moleküller çok dağınık ve doğru ölçümler yapmak çok zordur.”diyor. Ayrıca “Tek yapılması gereken tek bur biyomolekülü [biyolojik organizmada bulunan molekül] bakteri içinde izole etmek ve ışıkla dolanıklık kurmasını göstermektir.” diye ekliyor.
Gerçek Dünyada Nasıl İşliyor?: Ancak bu tür bir dolanıklık gerçekleşiyorsa bu muhtemelen bakterilerin derin okyanuslardaki kıt ışığı toplamak için kullandıkları bir hayatta kalma mekanizması olabilir. Ve dolanma kanıtlanmış olsaydı, daha fazla olasılık için bir zengin bir kaynağın kapısını açmış olurdu.
“Kuantum teorisinin tüm ölçeklerde uygulanıp uygulanmadığı konusunda uzun süredir devam eden bir tartışma var. Deney, canlı varlıklardaki biyomoleküllerin, ışıkla dolanıklık oluşturarak kuantum etkileri göstermeye yatkın olduklarını göstermektedir. Dikkat çekici olan şey ise bakterilerin deney süresince canlı olmasıydı.” diyor Marletto.
Fenomeni daha fazla araştırabilmek adına, Marletto’nun meslektaşlarından biri olan Dr. TristanFarrow, bir çift bakteri içerisindeki belli kuantum özelliklerin arasında dolanıklık oluşturmak için bir çalışma önerdi. Başlangıçta tek bir özellikle sınırlı olmasına rağmen, Farrow çalışmanın daha ileri götürülebileceğine inanıyor.
Canlı bakterilerde dolanıklık durumunu oluşturmak, bakteriler için ışınlanma uygulamasının uygulanabilirliğini değerlendirmede atılan ilk adım olduğunu söyleyen Farrow, ayrıca “Biyomoleküller gibi büyük, sıcak ve dağınık sistemlerin, canlı organizmaları boş verelim, kuantum durumlarının kayda değer süre geçerliliklerini koruyabilmeleri için uygun olmayan ortamlar olduğu düşünülüyordu.
Bunun her zaman doğru olup olmadığını veya bu karmaşık moleküllerin içindeki bazı alt yapıların kuantum durumlarını bu düşmanca çevrelerden koruyup korumadığını bilmiyoruz.” diye ekledi. Bunun için pratik uygulamalar da olabilir. “Biyo-ilhamlı kuantum hesaplama, biyolojiden ilham alan yapay yapıları tersine mühendislik etmeyi amaçlayan araştırmamızın uygulamalı bir yönüdür.” diyor Farrow. “Başlıca bir örnek olarak, belirli fotosentetik moleküllerin güneş ışığından yakalanan enerjiyi taşımak için kuantum süper pozisyonları kullanma şeklinden ilham alan, ışık enerjisini aşırı verimlilikle toplayabilen sentetik bir yaprak düşünülebilir.
Gröblacher canlıları içeren deneylerle de ilgilenmiştir.Halihazırda bir nitrür levhasını süperpozisyon durumuna getirmek için çalışıyor. Lazer kullanarak, yaklaşık bir milimetrelik ölçülen, zar zor görünebilen silikon nitrür zarının farklı iki genlikte süperpozisyon durumunda titreştirmek teorik olarak mümkün. Genlik, bir dalga tarafından taşınan enerji miktarıyla ilgilidir ve bozulmamış pozisyondan dalganın tepe noktasına kadar olan ölçümdür. Daha fazla güç uygularsanız tepe – dolayısıyla genlik- artar. Gröblacher, birkaç sene içerisinde bu süperpozisyon titreşimlerini oluşturabileceklerini düşünüyor.
Gröblacher, “bu ince zarlarda oluşan süperpozisyon durumu bize çıplak gözle görülebilen nesnelerin hala kuantum özellikleri gösterebileceğini anlamamızı ve uyumsuzluğu gerçekten test edebilmemizi sağlamıştır – klasik ve kuantum mekaniği arasındaki geçiş,” diyor. Daha sonra, tardigrad aldı verilen küçük canlı organizmaları silikon nitrür zarına koyup süperpozisyon durumuna sokarak deneyi genişletmeyi umuyor.
Tardigradların olağanüstü yeteneklerinden biri dedehidre olarak hayatta kalabilmeleridir. Tardigradlar deney sırasında susuz kalmış durumda olacaklardı böylece biyolojileri hiç etkilenmeyecekti.Başarılı olursa Gröblacher’ın tardigradları eşzamanlı olarak iki durumda bulunabilen bir canlıyı görmeye en yakın olduğumuz sonuç olurdu – işte bu gerçek hayattaki Schrödinger ‘in kedisi.
Editör / Yazar: Kaan Berke TÜRKER
