İkinci Kuantum Devrimi ve Ötesi

Bugün, kuantum teknolojilerinde yeni bir eşiği temsil eden ikinci kuantum devriminin içindeyiz. Bu aşamada, yalnızca kuantum sistemlerinin kontrolüyle yetinilmiyor; aynı zamanda onların klasik olmayan özellikleri birer kaynak olarak değerlendiriliyor. Bu dönüşümün öncüsü kuantum enformasyon bilimi.

Artık teknolojik bir dünyada yaşıyoruz. Lazer sistemleri, elektron mikroskopları, cep telefonları, dizüstü bilgisayarlar ve MRI cihazları gibi günlük hayatımızda yer etmiş pek çok araç, kuantum sistemlerinin kontrol edilebilmesi sayesinde çalışıyor. Ancak bu tür cihazlar, bir süredir birinci kuantum devriminin ürünleri olarak sınıflandırılıyor (Dowling ve Milburn, 2003; Georgescu ve Nori, 2012; Riedel vd., 2019). Yavaş yavaş tarih olmaya başlayan bu devrimin dayandığı ayrık enerji seviyeleri, dalga-parçacık ikilemi, kuantum tünelleme ve spin gibi temel kavramlar modern fizik ya da kuantum fiziği ders kitaplarından taşıp mühendislik eğitimine hâlâ yeterince kapsamlı biçimde yayılamamış durumda. Teknoloji üretiminde dışa bağımlılığı aşamamamızın başlıca nedenlerinden biri belki de bu eksiklik olabilir.

Bugün, kuantum teknolojilerinde yeni bir eşiği temsil eden ikinci kuantum devriminin içindeyiz (International Year of Quantum Science and Technology, 2025). Bu aşamada, yalnızca kuantum sistemlerinin kontrolüyle yetinilmiyor; aynı zamanda onların klasik olmayan özellikleri birer kaynak olarak değerlendiriliyor. Bu dönüşümün öncüsü kuantum enformasyon bilimi. Bu yazıda, ikinci kuantum devriminin temel çizgilerini ve gündelik yaşantımıza entegre olabilmesi için ihtiyaç duyulan bakış açısı değişimini tartışacağım. İddiam şu: Bu ilerleme, ancak disiplinler arası kuantum araştırmalarıyla mümkün olabilir.

Kuantum Bilginin Fizikselliği

Yeni nesil kuantum cihazlarını seleflerinden ayırmak için, tıpkı kuantum bilgisayar örneğinde olduğu gibi, ‘kuantum’ ön ekiyle tanımlıyoruz. Bu cihazlarda kuantum süperpozisyon (Theurer vd., 2017; Pusuluk, 2024), eşevrelilik (Baumgratz vd., 2014; Streltsov vd., 2017), uyuşmazlık (Modi vd., 2012) ve dolaşıklık (Horodecki vd., 2009) gibi farklı formlarda kodlanan bilgi (Şekil 1), elektrik ya da enerji gibi fiziksel bir kaynak (Chitambar ve Gour, 2019; Torun, Pusuluk ve Müstecaplıoğlu, 2023) olarak kullanılıyor. Nitekim, elektrik ve ısı akımlarını birbirine dönüştürebildiğimiz gibi, kuantum enformasyon ve ısı akımlarını da birbirine dönüştürebiliyoruz (Pusuluk ve Müstecaplıoğlu, 2021).

Bilginin fizikselliği bağlamında en yoğun ilgi gören örnek, süperpozisyonun kuantum hesaplamaya kazandırdığı yeni türden paralellik özelliğidir: Bu sayede, hesaplama aynı anda birden çok çözüm yolunu deneyebiliyor. Örneğin, sistem boyutu açısından bilinen en küçük kuantum algoritması olan Gedik algoritması (Şekil 2), Fourier (frekans uzayı) genliklerini içeren bir süperpozisyonu kaynak olarak kullanarak klasik benzerlerinden iki kat daha az işlem ile üçlü permütasyonları çift ve tek olacak şekilde ikiye ayırabiliyor (Gedik vd., 2015). Ancak bu genliklerde yapacağımız en ufak bir değişiklik algoritmanın başarısını azaltacaktır.

Başka bir probleme yönelik geliştirilen Grover arama algoritması (Şekil 3) ise özdeş genlikler içeren farklı bir süperpozisyona ihtiyaç duyuyor (Grover., 1998). Dolayısıyla her hesaplama problemi için öncelikle uygun süperpozisyonun ne olduğunun belirlenmesi gerekiyor. Bu, pratikte zorluklar doğurabilir fakat kuramsal olarak her zaman mümkündür.

Şekil 1 – İkinci nesil kuantum teknolojilerine özgü kaynaklar. Küreler fiziksel sistemleri, kürelerin üzerindeki dikey ve köşegen oklar ise bu sistemlerin girebileceği fiziksel durumları temsil etmektedir. Okların birbirine dik olması temsil ettikleri durumların ayırt edilebilir olmasına karşılık gelir. İki küre çifti arasındaki tek yönlü zıt uçlu yatay oklar olasılıksal bir karışımı, çift yönlü yatay oklar ise kuantum süperpozisyonu (“superposition”) betimlemektedir. Eş-evrelilik (“coherence”), bir fiziksel sistemin birbirinden ayırt edilebilir durumların kuantum üst üste binmesi halinde bulunmasıdır. Uyuşmazlık (“discord”) ve dolaşıklık (“entanglement”) ise alt-sistemlerde yerelleşmeyen, fakat aralarında paylaşılan, özel kuantum eş-evrelilik formları olarak formülleştirebilir.

Yeni Nesil Kaynakların Kırılganlığı

Süperpozisyon durumlarını oluşturmak ve hesaplamalarda kullanmadan önce yeterince uzun süre korumak, en az ihtiyaç duyduğumuz süperpozisyonların ne olduğunu belirlemek kadar zordur. Çünkü onları olasılık dağılımlarına dönüştürme eğiliminde olan çevrelerinden tamamen yalıtmak imkânsızdır. Bu nedenle kuantum bilgisayarlarında kuantum ‘bit’lerin (kubitlerin) süperpozisyonu formunda kodlanan bilgi zamanla değişebilir. Üstelik klasik hesaplamada karşılaşılan bit terslemeleri gibi hata türleri, kuantum sistemlerde görülen çok sayıda hata türünün yalnızca küçük bir bölümüne karşılık gelir.

Kuantum bilgisayarlarda hangi hatanın ne zaman ve nasıl ortaya çıkacağını anlayabilmek için kubitlerle etkileşimde olan çevre elemanlarını ve bu etkileşimin ayrıntılarını bilmemiz gerekir. Böylece kuantum bilginin açık sistem dinamiklerini betimleyen matematiksel ilişkileri mikroskobik olarak türetebiliriz. Ne var ki çoğu zaman bu bilgiye erişim mümkün olmuyor ve kuramsal tahminler belirli hata türlerini baştan varsayan fenomenolojik matematiksel yaklaşımlarla sınırlı kalıyor.

Süperpozisyonların bu kırılganlığı, kuantum teknolojilerinin ölçeklenebilirliğini de doğrudan etkiliyor. Kubit sayısı arttıkça yalnızca hesaplama gücü değil, aynı zamanda olası hata türlerinin sayısı da üssel olarak artıyor. Mevcut kuantum bilgisayarları devasa ve oldukça pahalı soğutma sistemleriyle çalıştırmak zorunda kalmamızın sebebi bu.

Kuantum Üstünlük Tartışmaları ve Kaynak Teorileri

Kuantum hesaplama, ikinci nesil kuantum teknolojilerinin en çok ilgi gören örneğidir. Ancak klasik hesaplamaya kıyasla gerçekten üstün olup olmadığı hâlâ tartışmalıdır. Bunun nedeni, henüz bu üstünlüğü net biçimde gösterecek bir çerçevenin geliştirilmemiş olmasıdır.

Buna karşılık, kuantum haberleşme, kuantum metroloji ve kuantum termodinamik gibi başka alanlarda çok daha sağlam temellere sahibiz. Çünkü haberleşme, metroloji ve termodinamikte klasik kaynaklarla erişilebilecek sınırları bireysel örneklerden bağımsız olarak hesaplayabiliyor, ardından yeni nesil kuantum kaynaklarıyla bu sınırların aşılabildiğini doğrudan gösterebiliyoruz. Bu başarının arkasında, süperpozisyonu yalnızca bir hesapsal paralellik aracı değil, bağlamsallık ve yerel olmama gibi başka sonuçları da olan gerçek bir kaynak (Chitambar ve Gour, 2019; Torun, Pusuluk ve Müstecaplıoğlu, 2023) olarak görmemiz yatıyor.

Şekil 2 – Gedik algoritmasının devre tasarımı.

Örneğin, kuantum algoritmaların önce üretip daha sonra tükettiği, aslında ayırt edilebilir durumların süperpozisyonuna karşılık gelen ve kuantum eşevrelilik (Baumgratz vd., 2014; Streltsov vd., 2017) adı verilen özel bir kaynaktır. Varsayalım ki Şekil 1’de gösterilen mavi ve kırmızı oklar ayırt edilebilir durumlar; mor ok ise onlardan ayırt edilemeyecek başka bir durum olsun. Mavi ve kırmızı durumların süperpozisyonunda kodlanan bilgi, hem olası bir ölçümün istatistiğini tarif edecek olan klasik olasılıkları hem de bu olasılıkların dağılımıyla ilgili olan belirsizliği dengeleyerek görünmez kılan eşevrelilik terimlerini içerir.

Eşevrelilik terimlerine mavi mi kırmızı mı ölçümleriyle doğrudan erişemeyiz ancak sistemin doğal evrimi ya da bizim müdahalelerimiz ile bu terimler klasik olasılıklara dönüşebilir ya da tersi olabilir. Ayrıca, ölçtüğümüz özelliği değiştirdiğimizde, mesela mavi ve kırmızı durumların süperpozisyonundaki sistem mor durumda mı değil mi diye sorduğumuzda, ölçüm istatistiğini veren klasik olasılıklar da onları dengeleyen eşevrelilik terimleri de değişir. Bu da kuantum sistemlere klasik bir karşılığı olmayan bir bağlamsallık kazandırır.

Eğer kuantum eşevrelilik, bir sistemi oluşturan farklı bileşenlerde yerelleşmeden bu bileşenler arasında paylaşılıyorsa, kuantum uyuşmazlık ve dolaşıklık gibi klasik olmayan ilintiler (Horodecki vd., 2009; Modi vd., 2010; 2012) ortaya çıkar (Şekil 1). Sistemin bileşenleri birbirinden uzaysal olarak ayrılmış bile olsa bu tür yerel olmayan ilintiler yerel işlemlerle tüm sistem üzerinde kontrol kurmamıza izin veriyor (Adesso vd., 2016). İşte bu, ışınlama (Bennett vd., 1993; Hu vd., 2023) gibi daha önce sadece bilimkurgunun konusu olan protokolleri deneysel olarak gerçekleştirebilmemizi ve bu sayede kuantum internet gibi yeni teknolojiler geliştirebilmemizi sağlıyor.

Şekil 3 – Grover algoritmasının devre tasarımı.

Kuantum enformasyonun süperpozisyon, eşevrelilik, uyuşmazlık ve dolaşıklık gibi her farklı tezahürü farklı bir kaynak olarak ele alınmalıdır. Çünkü bunlardan birisi bir teknolojide avantaj sağlarken, diğeri sağlamayabilir. Örneğin, kuantum uyuşmazlık, soğuktan sıcağa anormal ısı akışları yaratabilir ya da kuantum ısı makinelerinin verimini yükseltebilirken (Micadei vd., 2019; Pusuluk ve Müstecaplıoğlu, 2021); dolaşıklık, karanlık maddeyi tespit etmeye yönelik yüksek enerjili astrofizik deneylerinde kullanılan algılayıcıların hassasiyetini arttırabilir (Brady vd., 2023).

Ancak bu kaynak teorilerinin çoğu, yalnızca iki bileşenli sistemler için geliştirilmiştir. Oysa ölçeklenebilir kuantum cihazlar için bu matematiksel modellerin çok parçalı sistemlere genellenmesi gerekli. Aksi halde, büyük ölçekli kuantum teknolojilerinin tasarımı ciddi biçimde kısıtlı kalabilir.

Temel Bilimlerden Geleceğin Teknolojilerine

Makroskobik düzeydeki olguları genellikle biyoloji, termodinamik ya da genel görelilik gibi ayrı ayrı disiplinler çerçevesinde inceleriz. İçinde bulunduğumuz ikinci kuantum devrimi, bu ayrık disiplinlerden kuantum biyoloji, kuantum termodinamik ve kuantum görelilik gibi yeni disiplinler arası alanların ortaya çıkmasını tetikliyor. İTÜ Fizik Bölümü’nde tamamladığım doktora çalışmalarım da bugün Kadir Has Üniversitesi’nden yönettiğim araştırma grubumla birlikte yaptığımız çalışmalar da bu üç alanın kesişiminde (Şekil 4) yer alan problemleri çözmeyi hedefliyor.

qDISCorD grubu (qDISCorD, 2025) olarak çok bileşenli kuantum kaynak teorilerini ve mikroskobik açık sistem yaklaşımlarını birlikte kullanarak, yaşam, enerji ve zaman gibi makroskobik kavramları daha derinlemesine anlamaya çalışıyoruz. Bu yazıda bu araştırmaların ayrıntılarına girmeyeceğim. Ancak, ortaya koyduğumuz yaklaşımların, daha geniş ölçekte ve daha makul sıcaklıklarda çalışabilen kuantum cihazların geliştirilmesinde yol gösterici olabileceğini vurgulayarak yazıyı sonlandırmak isterim.

Şekil 4 – Dr. Onur Pusuluk önderliğin qDISCorD araştırma grubunun ilgi alanları.

Öncelikle, disiplinler arası kuantum çalışmalarıyla moleküler sistemlerde kimyasal bağlar üzerinden makroskobik kuantum ilintilerin kurulabildiğini (Pusuluk vd., 2018; 2019; Pedram, Pusuluk, Müstecaplıoğlu, 2022; Pusuluk vd., 2022; Yeşiller ve Pusuluk, 2024) ve bu ilintilerin bazen beklenmedik bir şekilde sıcaklıkla birlikte güçlenebildiğini (Pusuluk vd., 2019) öğrendik. Doğadan esinlenerek, kuantum eşevrelilik ve dolaşıklığın ömrünü uzatmak için geometri optimizasyonu yapabileceğimizi (Gassab, Pusuluk, Müstecaplıoğlu, 2024; Izadyari vd., 2024; Gassab vd., 2025) ve bu ilintileri dengeden uzak koşullarda daha verimli kullanabileceğimizi (Burkhard, Pusuluk, Farrow, 2024) anladık. Eşevrelilik yitimi gibi çevresel etkileri bir dezavantajdan avantaja dönüştürecek yöntemler geliştirebileceğimizi (Pusuluk vd., 2018) fark ettik. Eşevrelilik ve ilintileri enerjiye dönüştürerek (Pusuluk ve Müstecaplıoğlu, 2021; Burkhard, Pusuluk, Farrow, 2024; Santiago-García vd., 2025; Alyürük vd., 2025) ya da işlem sıralamalarına süperpozisyonla belirsizlik katıp, ölçüm etkileşimlerini zayıflatarak (Pusuluk, Gedik, Vedral, 2024) birbirinden çok farklı birçok doğal işlergenin ya da teknolojik cihazın performansını arttırmaya yönelik stratejiler önerdik.

Bu bulgular, ikinci kuantum teknolojilerinin karşılaştığı temel zorlukları aşmak için disiplinler arası bir çerçevenin ne denli yol gösterici olabileceğini gösteriyor. Sonuç olarak, yalnızca kuantum sistemlerini anlamak değil, onları uygun bağlamlarda birleştirecek çok disiplinli bir yaklaşım geliştirmek, geleceğin kuantum teknolojilerini şekillendirmede belirleyici olacaktır.

Nedensellik sıralamalarının süperpozisyonlarıyla çalışan bir yapay zekâ hayal etsenize... Bana kalırsa böyle hayaller, üçüncü kuantum devrimine giden yolu bize gösterebilir.

KAYNAKLAR:

Adesso, G., Bromley, T.R. ve Cianciaruso, M. (2016). Measures and applications of quantum correlations, J. Phys. A: Math. Theor. 49, 473001.

Alyürük, D.C., Yeşiller, M.H., Vedral, V., Pusuluk, O. (2025). Thermodynamic limits of the Mpemba effect: A unified resource theory analysis. Elektronik ön baskı. https://doi.org/10.48550/arXiv.2502.00123

Baumgratz, T., Cramer, M. ve Plenio, M.B. (2014). Quantifying coherence, Phys. Rev. Lett. 113, 140401.

Bennett, C. H., Brassard, G., Crépeau, C., Jozsa, R., Peres, A. ve Wootters, W. K. (1993). Teleporting an unknown quantum state via dual classical and einstein-podolsky-rosen channels, Phys. Rev. Lett. 70, 1895.

Brady, A.J., Chen, X., Xia, Y. vd. (2023). Entanglement-enhanced optomechanical sensor array with application to dark matter searches. Commun. Phys. 6, 237.

Burkhard, M. Pusuluk, O., Farrow, T. (2024). Boosting biomolecular switch efficiency with quantum coherence. Phys. Rev. A 110, 012411.

Chitambar E. Ve Gour, G. (2019). Quantum resource theories, Rev. Mod. Phys. 91, 025001.

Dowling, J.P. ve Milburn, G.J. (2003). Quantum technology: the second quantum revolution. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 361, 1655–1674.

Gassab, L., Pusuluk, O., Müstecaplıoğlu, Ö.E. (2024). Geometrical optimization of spin clusters for the preservation of quantum coherence. Phys. Rev. A 109, 012424.

Gassab, L., Pusuluk, O., Cattaneo, M., Müstecaplıoğlu, Ö.E. (2025). Quantum models of consciousness from a quantum information science perspective. Entropy 27, 243.

Gedik, Z., Silva, I., Çakmak, B. vd. (2015). Computational speed-up with a single qudit. Sci. Rep. 5, 14671.

Georgescu, I. ve Nori, F. (2012). Quantum technologies: an old new story. Phys. World 25 (05), 16.

Grover, L. K. (1998). A framework for fast quantum mechanical algorithms. J.S. Vitter (ed.), Proceedings of the Thirtieth Annual ACM Symposium on the Theory of Computing (53–62, ss.), Dallas, Texas, USA, Association for Computing Machinery.

Horodecki, R., Horodecki, P., Horodecki, M. ve Horodecki, K. (2009). Quantum entanglement, Rev. Mod. Phys. 81, 865.

Hu, X.-M., Guo, Y., Liu, B.-H., Li, C.-F. ve Guo, G.-C. (2023). Progress in quantum teleportation, Nat. Rev. Phys. 5, 339–353.

International Year of Quantum Science and Technology. (2025). Erişim adresi https://quantum2025.org/

Izadyari, M., Pusuluk, O., Müstecaplıoğlu, Ö.E., Sinha, K. (2024). Steady-state entanglement generation via Casimir-Polder interactions. Elektronik ön baskı. https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.02270

Micadei, K., Peterson, J.P.S., Souza, A.M. vd. (2019) Reversing the direction of heat flow using quantum correlations. Nat. Commun. 10, 2456.

Modi, K., Paterek, K., Son, W., Vedral, V. ve Williamson, M. (2010). Unified view of quantum and classical correlations, Phys. Rev. Lett. 104, 080501.

Modi, K., Brodutch, A., Cable, H., Paterek, T. ve Vedral, V. (2012). The classical-quantum boundary for correlations: Discord and related measures, Rev. Mod. Phys. 84, 1655.

Pedram, A., Pusuluk, O., Müstecaplıoğlu, Ö.E. (2022). Quantum correlations in Jahn-Teller molecular systems simulated with superconducting circuits. J. Phys.: Conf. Ser. 2191, 012018.

Pusuluk, P., Farrow, T., Deliduman, C., Burnett, K., Vedral, V. (2018). Proton tunnelling in hydrogen bonds and its possible implications in an induced-fit model of enzyme catalysis. Proc. R. Soc. A 474 (2218): 20180037.

Pusuluk, P., Farrow, T., Deliduman, C., Vedral, V. (2019) Emergence of correlated proton tunneling in water ice. Proc. R. Soc. A 475 (2225): 20180867.

Pusuluk, O. ve Müstecaplıoğlu, Ö.E. (2021). Quantum Rayleigh problem and thermocoherent Onsager relations. Phys. Rev. Research 3, 023235.

Pusuluk, O., Yeşiller, M.H., Torun, G., Müstecaplıoğlu, Ö.E., Yurtsever, E., Vedral, V. (2022). Classical and quantum orbital correlations in molecular electronic states. New J. Phys. 24, 102001.

Pusuluk, O. (2024). Biorthogonal resource theory of genuine quantum superposition. Elektronik ön baskı.                  https://doi.org/10.48550/arXiv.2210.02398

Pusuluk, O., Gedik, Z., Vedral, V. (2024). Witnessing superpositions of causal orders before the process is completed. Elektronik ön baskı. https://doi.org/10.48550/arXiv.2209.09172

qDISCorD: Quantum delocalized information systems and correlated dynamics team (2025). Erişim adresi https://qdiscord.khas.edu.tr/

Riedel, M., Kovacs, M., Zoller, P., Mlynek, J. ve Calarco, T. (2019). Europe's Quantum Flagship initiative. Quantum Sci. Technol. 4, 020501.

Santiago-García, M., Pusuluk, O., Müstecaplıoğlu, Ö.E., Çakmak, B., Román-Ancheyta, R. (2025). Quantum thermal machine as a rectifier. Quantum Sci. Technol. 10 025018.

Streltsov, A., Adesso, G. ve Plenio, M.B. (2017). Colloquium: Quantum coherence as a resource, Rev. Mod. Phys. 89, 041003.

Torun, G., Pusuluk, O. ve Müstecaplıoğlu, Ö.E. (2023). A compendious review of majorization-based resource theories: quantum information and quantum thermodynamics. Turk. J. Phys. 47, 141.

Theurer, T., Killoran, N., Egloff, D. ve Plenio, M.B. (2017). Resource theory of superposition, Phys. Rev. Lett. 119, 230401.

Yeşiller, M.H. ve Pusuluk, O. (2024). Electron delocalization in aromaticity as a superposition phenomenon. Elektronik ön baskı. https://doi.org/10.48550/arXiv.2307.00672