25 Yıl Sonra Fizikçiler Kuantum Dolanıklığının “Diğer” Türünü Ölçmeyi Başardı

Kyoto ve Hiroshima Üniversitelerinden fizikçiler, çok parçacıklı kuantum dolanıklık durumlarının yapılandırmasını belirleyen kapsamlı bir çalışma ile kuantum geleceğine dair önemli bir adım attılar. Araştırmacılar, ilk olarak üç fotonu içeren W-durumu olarak adlandırdıkları dolanıklık türünün ölçümünü başarıyla gerçekleştirdi ve bu sürecin 25 yılı aşkın süreden çözülmesini beklediği bilinen “diğer” kuantum dolanıklığına ilk deneysel kanıtı sundu.

Dolanıklık, kuantum dünyası ile makroskobik evren arasındaki en belirgin kopuşlardan biri olarak kabul ediliyor. Elektron veya foton gibi temel parçacıklar dolandığında ortak bir kuantum kimliği paylaşır ve bireysel varlıklar olarak tanımlanamaz; en az biri ölçülene kadar sabit bir duruma sahip olmadan süperpozisyon içinde bulunurlar.

Dolanıklığın Uzay-Zaman Ötesi Doğası

Bu durum fiziksel mesafeyi aşar, böylece Dünya’da yapılan bir kuantum dolanık para atışının Mars’ta anında ve buna denk bir sonuç üretmesi beklenir. Elbette bu rastlantısal sonuçlar bilgi taşımaz; bu da ışık hızından hızlı iletişim kurma ya da karasal-Marslılar arasındaki karmaşık para atışı hile ağı kurma umutlarını suya düşürür.

Buna rağmen dolanıklık, kuantum bilgi teknolojileri için kritik öneme sahiptir. Yapılması gereken tek şey daha fazla parçacığı dolandırmak ve bu sistemleri ölçme yeteneğini artırmaktır.

GHZ Durumlarından W-Durumlarına Geçiş

Araştırmacılar, bilimsel makalelerini 2025 yılının Eylül ayında Science Advances dergisinde yayımladı ve söz konusu W-durumu dolanıklık türlerinin ölçümünü gerçekleştiren yeni bir teknikle ilgili olarak nihayet rapor verdi. Daha önce bilim insanları Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) durumlarını ölçmüştü; bunlar çok parçacıklı dolanıklık sistemlerinin bilinen ve temel “vanilya dondurması” olarak tanımlanıyordu.

GHZ durumları için dolanık ölçüm önerisinden 25 yılı aşkın süre sonra, nihayet W-durumu için de dolanık ölçüm elde ettik ve üç fotonlu W durumları için gerçek deneysel kanıt sunduk.

Shigeki Takeuchi, kuantum bilgi araştırmacısı

Bununla birlikte, W-durumu dolanıklıklarının “çikolata parçalı kurabiye hamuru” olarak adlandırılabilecek bu türü daha büyük bir karmaşıklık ve GHZ durumlarından farklı ilginç bir özellik taşır. W durumlarında, dolanmış parçacıklardan biri kaybedildiğinde, geride kalanların yararlı dolanık durumlarını koruduğu görülür.

Kuantum Tomografisinin Sınırları

Parçacık dolanıklığı genellikle kuantum tomografisi olarak bililen bir teknikle ölçülür. Bu yöntem, vücudumuzun iskelet sırlarını ortaya çıkaran X-ışını bilgisayarlı tomografisine benzer biçimde çalışır; çok sayıda ölçüm alır ve ardından bu “dilimler”i tutarlı bir görüntü içinde birleştirir.

Bu süreç verimsiz ve zor olabilir, iki pratik darboğazı beraberinde getirir. Birincisi, bilim insanlarının birçok özdeş dolanık sistem yaratması gerektiğidir; çünkü parçacıkların özelliklerini ölçmek (gözlemek) onları dolanık durumlarından çıkarır.

İkincisi ise bir kuantum durumunu yeniden inşa etmek için gereken ölçümlerin, dolanmış parçacık sayısı arttıkça üstel olarak yükselmesidir.

Tek Adımda Ölçüm Tekniği

Araştırmacılar, tüm dolanık sistemi tek bir adımda belirleyen tek atışlık (one-shot) bir ölçümle bu sorunların önünden başarıyla sıyrıldılar. Bunu kendi ürettikleri ayrık Fourier dönüşümü (DFT) optik devre aygıtını kullanarak yaptılar; bu aygıt gelişmiş bir girişimölçer (interferometer) olarak işlev gördü.

Dolayısıyla, üç bilinen polarizasyona sahip fotonu bu aygıta soktular ve aygıt onları farklı yollar üzerinde böldükten sonra tekrar birbirleriyle çarpıştırarak dalga fonksiyonlarının tepeleri ile vadilerinin nasıl hizalandığını—ya birleşip güçlenmek ya da birbirini götürerek yok olmak üzere—incelediler.

Bu, araştırmacılara W-durumunun “döner kaydırma simetrisi”ni keşfetme imkanı tanıdı; bu özellik, sistemin kuantum özelliklerinin simetrisine dayanan bir parmak izine benzer biçimde çalışır.

“Döner kaydırma” kısmı, dolanık sistemin yapısal tanımının bireysel fotonları döner biçimde kaydırdığında değişmemesi anlamına gelir. Çadır ateşi etrafında çember içinde oturan bir grup insan hayal edin; aniden hepsi ayağa kalkar ve bir sandalye sola doğru kayar.

Bu şekilde döner biçimde kaydırılan çember aynı görünüre sahiptir. Böylece araştırmacılar, ortalamalı ölçüm ayırım sadakatini (MDF) 0,871 ± 0,039 olarak ortaya koydu.

Sonuçların Anlamı ve Gelecek Planları

Araştırmacılar W-durumunu her yüz ölçümde 87 doğru sonuçla belirledi; bu değer, üç parçacıklı dolanıklık ölçümünün gerçekleştirildiğini göstermek için gereken matematiksel eşik olan %66,7’yi (üçte ikisi) rahatlıkla aştı ve böylece metodolojilerin etkinliğini kanıtladı.

Neden yüzde yüz değil? Ara ekibi bu açığı foton hazırlanması ve ölçüm aygıtının kendisindeki kusurlara bağladı.

Bu sonuçların, çoklu kubit dolanık ölçümlerinin fotonik kuantum hesaplamada, kuantum iletişimde ve algılamada daha geniş biçimde uygulanmasına yönelik önemli bir kilometre taşı temsil ettiğine inanıyoruz.

Araştırmacılar

Buna karşılık bu çalışma, hesaplama ve şifreleme alanlarında kuantum uygulamaları için umuldu ki aynı anda hem açık hem kapalı bir kuantum kapısı—yani Schrödinger’in sivri ayağına çarptığı durum—açıyor.

Ara ekibi şimdi bu dolanık ölçümler için yonga üstü fotonik kuantum devreleri geliştirmeyi planlıyor. Kuantum hesaplamnın karşısında açılan teknolojik uçurumu göz önünde bulunduran araştırmacılar, bu ilerlemelerin örneğin hayat kurtaran ilaç araştırması veya kişiselleştirilmiş sağlık stratejileri gibi alanları iyileştirmek için bir araya gelebileceğini belirtiyor.

Aynı zamanda pizza teslimatı işletmesinin sadakat puanı hesaplarını her zamankinden daha güvenli hale getirebilirler—eğer peynir ve sucuza açmış bir hacker da kuantum hesaplama erişimine sahip değilse.