Kuantum Dünyasında Gelecek Geçmişi Etkiliyor!

Roman yazarının roman örgüsü içinde zamanla nasıl oynadığını farketmediğimiz cinayet romanlarına alışkınızdır. Çok tipik bir şekilde; cinayet henüz kitabın ortasına bile gelmeden gerçekleşir. Fakat tam bu noktada bir bilgi karartması olur ve okur ne olduğunu ancak kitabın son sayfasında öğrenir.

Peki ya son sayfa kitaptan yırtılmışsa?

Okur; kitabı yalnızca ölümcül olayın gerçekleştiği kısma kadar okuyarak ya da tamamını okuyarak, ne olduğuna dair iyi bir tahmin yürütebilir mi?

Cinayet gizeminde daha açık olan cevap; belirsizliğin esas olduğu kuantum mekaniğinde daha az belirgindir.

Washington University in St. Louis Fizik Bölümü’nden asistan profesör Kater Murch:

”Her şeyi biliyor olsanız bile, kuantum mekaniği; size bir kuantum parçacığı sunar ve basit bir deneyle yerini saptayabilecek kesinliğe erişemezsiniz. Kuantum mekaniği, muhtemel sonuçların istatistiksel ihtimallerini sunabilir ” diyor.

Akılcı bakışa göre; bu belirsizlik teori için bir kusur değildir, aksine doğanın bir gerçeğidir. Parçacığın yeri yalnızca bilinmeyen değil, aslında test edilmeden önce belirsizdir. Ölçme teşebbüsünün kendisi; parçacığı belirgin konumunu bozmaya zorlar.

Physical Review Letters‘ın Şubat sayısında Kater Murch olasılıkları daraltan bir yol geliştirdi. Kuantum sistemin bir hedef zamanın sonrasındaki değişimi ile ilgili bilgiyi, bu hedef zamana kadarki süreçteki değişimin bilgisiyle birleştirerek, kuantum sistemin durumuna dair yapılan doğru tahminlerin olasılıklarını daraltabildi.

Yani bir benzetme ile ifade edersek; bugün yaptığımız şey; dün yaptığımız şeyi değiştirdi. Ve bu benzetmedeki önerme gibi; deneysel sonuçlar zaman ve nedensellik için oldukça acayip çıkarımlar sunuyor, fakat en azından bu etkileşim kuantum mekaniğin uygulandığı mikroskobik dünyada gerçekleşiyor.

Bir “Hayalin” Ölçümü

Şimdiye kadar; fizikçiler tekil parçacıkların kuantum mekanik özelliklerini yalnızca düşünce deneyleriyle anlamaya çalışıyorlardı, çünkü bu parçacıkları gözlemeye dair atılan her maddesel adım; onların gizemli kuantum özelliklerini saklamalarına sebep oluyor.

Fakat 1980’lerde ve 1990’larda fizikçiler bu hassas kuantum sistemlerini oldukça nazik bir şekilde( belirli hallerini bozmaya sebep olmadan) ölçebilmelerini mümkün kılan cihazlar icat ettiler.

Murch’un kullandığı cihaz; neredeyse mutlak sıfıra soğutulduğunda kuantum dünyaya girebilen basit bir süper iletken çevrim. Ekip kuantum sistemleri için; bu kubitin (kuantum büyüklüğü) alttan iki enerji seviyesini; yani taban halini ve uyarılmış halini, kuantum sistemlerinde model olarak kullandılar. Bu iki hal arasında, taban hal ve uyarılmış halin süperpozisyonları ya da kombinasyonları olan sonsuz sayıda kuantum halleri vardır

Çevrimin kuantum hali; mikrodalga kutunun içerisine konularak saptanabildi. Kuantum bölgeler ile süper iletken çevrimin etkileşime girdiği kutuya birkaç mikrodalga fotonu gönderildi. Böylece, fotonlar kutudan çıktığında kuantum sistemle ilgili bilgi taşır halde çıkıyorlardı.

Kritik bir şekilde bu “zayıf” salınımsız ölçümler kubiti rahatsız etmiyor, aksine iki hal arasındaki enerji farkının rezonansları olan fotonlarla yapılan “güçlü” ölçümler, çevrimi bir ya da diğer hale çarpıyor.

Murch:

” Her işleme kubiti iki halin süperpozisyonuna koyarak başladık. Sonra güçlü bir ölçüm yaptık ancak sonucu gizledik, devamında sisteme zayıf ölçümleri uyguladık “ diyor.

Sonrasında araştırmacılar; benzetmemizdeki cinayet hikayesinin kayıp sayfası olan gizli sonucu tahmin etmeyi denediler.

Murch:

” Sistemin belirli bir hal içerisindeki olasılığını ifade eden Born denklemini kullanarak, ileriye dönük hesaplama yaparken; doğru tahmininizin olasılığı yalnızca 50-50’dir. Fakat etki matriksi denilen bir şeyi kullanarak aynı zamanda geriye dönük hesaplama da yapabilirsiniz. Yalnızca bütün denklemleri alıp, yüz seksen derece döndürmelisiniz. Hala işe yarar durumdadırlar ve geriye doğru yörüngeyi işleme sokabilirsiniz ” diyor.

Ve ekliyor:

“Artık geriye giden bir yörünge ve ileriye giden bir yörünge vardır. İkisine birlikte bakarsak ve bilgiyi eşit olarak tartarsak, önemi sonradan anlaşılan bir tahmin ya da bir “retrodiction” ( bugünün bilgisiyle geçmişi yorumlama ) bulursunuz.”

Retrodiction hakkındaki “bozucu bir şey” %90 kesinliğe sahiptir. Fizikçiler bunu sistemin ilk halinin kayıtlı ölçümleriyle kıyasladığında, tam olarak 10’da 9 olduğunu gördüler.

Zaman Simetrisi

Kuantum tahmin oyunu; açık sistemlerin kuantum hesaplama ve kuantum kontrolünü yapabilmek için yollar sunuyor. Aynı zamanda da fizikteki daha derin problemlere dair önerilere sahip.

Örneğin; araştırma gösteriyor ki; kuantum dünyada zaman hem ileriye hem de geriye doğru çalışır, buna karşılık klasik dünyada zaman yalnızca ileriye çalışır.

Murch:

” Daima ölçümlerin kuantum mekaniğindeki zaman simetrisini çözebileceğini düşündüm. Eğer süperpozisyon haldeki bir parçacığı ölçersek ve bu parçacık iki halden birisine düşerse, bu durum sürecin zamanda ileriye işlediği anlamına gelir ” diyor.

Fakat kuantum tahmin deneyinde zaman simetrisi geri döndü. Gelişen olasılıklar ölçülen kuantum halin bir şekilde gelecekten ve geçmişten gelen bilgiyi kapsadığını ima ediyor. Ve bu zamanı şöyle ifade ediyor; klasik dünyadaki tek uçlu ok, kuantum dünyada iki uçludur.

Gerçek dünyada, fazlaca parçacığın bulunduğu dünyada, zamanın neden yalnızca ileriye işlediği ve entropinin daima arttığı bilinmiyor. Fakat bu sorun üzerinde de çalışan oldukça fazla sayıda fizikçi var.

Zamanın simetrik olduğu bir dünyada, sebep ve sonuç ilişkisi gibi şey olacak mı? Bu da Murch ve ekibinin kubit düzeyde bir deney tasarlamayı düşündüğü bir başka soru.

Makale Referansı: D. Tan, S. Weber, I. Siddiqi, K. Mølmer, K. W. Murch. Prediction and retrodiction for a continuously monitored superconducting qubit . Physical Review Letters , 2015

Kaynak: Washington University in St. Louis