Kuantum ışınlanmasında çığır açan gelişme: Bilim insanları 25 yıllık dolanıklık sorununu çözdü

Kyoto ve Hiroshima Üniversitelerini içeren bir araştırma ekibi, kuantum dolanıklığının ölçülmesinde 25 yıldır çözülmemiş olarak bilinen W durumunun (W state) belirlenmesine olanak tanıyan yeni bir “dolanık ölçüm” yöntemi geliştirdi ve üç fotonlu W durumları için deneysel olarak kanıtladı. Araştırmacılar, kuantum bilgisinin taşınması, kuantum iletişimi ve ölçüme dayalı kuantum bilişim gibi alanlarda kullanılabilecek bu yöntemi, foton sayısından bağımsız biçimde genişletilebilir kilarak geliştirdi.

Yöntem, kuantum durumlarının belirlenmesinde uzun süredir kullanılan kuantum tomografisinin getirdiği büyük veri yükünü azaltmayı hedefliyor. Araştırmacılar, geliştirdikleri sistemin uzun süre aktif kontrol gerektirmeden çalışabilen yüksek kararlı optik kuantum devreleri kullandığını ve ölçüm doğruluğunu (sadakat) de ölçtüklerini belirtti.

Dolanıklık, kuantum dünyasının en tuhaf özelliklerinden biri

Kuantum dolanıklığı, günlük fizikle kuantum dünyası arasındaki en farklılaşan konulardan birini ortaya koyar. Dolanık bir sistemde foton gibi parçacıklar o kadar derin biçimde birbirine bağlanır ki, parçacıkların özellikleri birbirinden bağımsız biçimde tam olarak tanımlanamaz; bunun yerine sistemin bir bütün olarak ele alınması gerekir.

Bu görüş, her parçacığın kendi ayrı fiziksel gerçekliğine sahip olması gerektiğine dair klasik beklentiyle çelişir ve kuantum mekaniğinin Albert Einstein’ı meşhur biçimde düşündüren bir özelliğidir. Yine de dolanıklık, gelişmiş iletişim, bilişim ve bilgi aktarımı da dahil olmak üzere ortaya çıkan kuantum teknolojilerinin temel bileşenlerinden biri olarak kabul edilmektedir.

Kuantum dolanıklığının ölçülmesindeki zorluk

Bu teknolojilerin inşası, bilim insanlarından yalnızca çok fotonlu dolanık durumlar üretmekle kalmayıp, ürettikleri dolanık durumun hangi tür olduğunu verimli biçimde belirlemelerini gerektirir. Standart yaklaşımlardan biri, kuantum durumunu çok sayıda ölçüm yaparak yeniden inşa edip tahmin eden kuantum tomografisidir. Zorluk, gereken veri miktarının foton sayısı arttıkça üstel olarak yükselmesidir; foton sayısındaki mütevazı bir artış bile çok daha fazla ölçüm gerektirebilir.

Dolanık ölçüm, buna potansiyel olarak çok daha verimli bir alternatif sunar. Bu ölçüm türü, büyük bir ölçüm kümesi toplayıp durumu sonradan yeniden inşa etmek yerine, tek atışlık (one-shot) bir yaklaşımla dolanık durumu belirleyebilir.

Bilim insanları, çok fotonlu dolanıklığın en bilinen biçimlerinden biri olan Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) durumuchün böyle bir ölçüm zaten başarmıştı. Ancak W durumu denilen, dolanık çok fotonlu durumların önemli bir türü için karşılaştırılabilir bir yöntem önerilmiş veya deneysel olarak gösterilmiş değildi.

W durumunu belirlemek için simetri kullanıldı

Kyoto ve Hiroshima Üniversitelerini kapsayan araştırmacılar, bu eksik yeteneği gidermeyi hedefledi ve W durumunu belirleyebilen yeni bir dolanık ölçüm yöntemi geliştirdi. Araştırmacılar, yaklaşımlarını W durumunun döngüsel kayma simetrisi olarak bilinen matematiksel özelliğine dayandırdı. Basitçe ifade etmek gerekirse, fotonların dizilimi, önemli bir alt yapıyı koruyarak tekrarlayan bir döngü içinde kaydırılabilir.

Bu simetriyi kullanan ekip, fotonik bir kuantum devrine dayalı bir dolanık ölçüm teoretik olarak geliştirdi. Bu devre, kuantum bilgisini, ancak zor tespit edilen örüntüleri ortaya çıkaracak biçimde yeniden düzenleyebilen bir kuantum Fourier dönüşümü gerçekleştirir. Önerilen yöntem, prensip olarak herhangi bir foton sayısına sahip W durumlarına uygulanabilir.

Araştırmacılar, ardından bu fikri üç fotonla test edecek bir ayar kurdular. Aktif kontrol gerektirmeden uzun süre çalışabilen yüksek kararlı optik kuantum devreleri kullandılar. Ekip ayrıca dolanık ölçümün sadakatini (fidelite) ölçtü; sadakat, kuantum sisteminin istediği görevi ne kadar güvenilir biçimde yerine getirdiğini gösterir. Bu durumda, ayarın saf bir W durumu girdisi alındığında doğru sonucu üretme olasılığına karşılık gelir.

GHZ durumları için dolanık ölçüm önerisinden 25 yıldan fazla bir süre sonra, nihayet W durumu için dolanık ölçümü elde ettik ve bunun için 3 fotonlu W durumlarında gerçek deneysel kanıt sunduk.

Araştırmanın sorumlu yazarı Shigeki Takeuchi

Kuantum ışınlanması için yeni bir araç

Bu ilerleme, kuantum teknolojisinin birkaç alanında yansımalar doğurabilir. Bunlardan biri kuantum ışınlanmasıdır; bu süreç kuantum bilgisini bir yerden başka bir yere aktarır. Adına rağmen kuantum ışınlanması maddeyi fiziksel olarak taşımaz; bunun yerine bilgiyi içeren kuantum durumunu aktarmak için dolanıklığı kullanır.

Yeni ölçüm yaklaşımı, aynı zamanda yeni kuantum iletişim protokollerine, çok fotonlu kuantum dolanık durumlarının aktarılmasına yönelik yöntemlere ve ölçüme dayalı kuantum bilişimin yeni biçimlerine katkı sağlayabilir.

Kuantum teknolojilerinin Ar-GE’sini hızlandırmak için, yenilikçi fikirler üretmek adına temel kavramalara dair anlayışımızı derinleştirmek kritik önem taşır.

Shigeki Takeuchi

Yöntemin daha büyük kuantum sistemlerine ölçeklendirilmesi

Araştırmacılar, yaklaşımını üç fotonlu gösterimin ötesine taşımayı planlıyor. Uzun vadeli hedefleri, yöntemi daha büyük ölçekli ve daha genel çok fotonlu kuantum dolanık durumlarına uygulamaktır. Ekip, aynı zamanda, teknolojiyi daha kompakt hale getirip geleceğin kuantum sistemlerine entegre etmeyi kolaylaştırma potansiyeli taşıyan, dolanık ölçümleri gerçekleştirebilen yonga üstü (on-chip) fotonik kuantum devreleri geliştirmeyi amaçlıyor.