Kuantum Bilimi ve Teknolojileri: Toplum Üzerindeki Olası Etkileri
- Nazlı Uğur Köylüoğlu
- 1 gün önce
- 8 dakikada okunur
Kuantum teknolojileri, yalnızca bilimsel bir atılım değil, stratejik bir öncelik olarak da değerlendirilmelidir. Bu güçlü teknolojinin dengeli, etik ve adil bir biçimde kullanılması için genç araştırmacıların desteklenmesi; eğitim, farkındalık ve disiplinler arası işbirliğinin önceliklendirilmesi gerekmektedir.
1. Giriş
Kuantum fiziği, 20. yüzyılın başlarında bilim dünyasında büyük bir devrimin habercisi olarak ortaya çıkmıştır. Newton mekaniğinin açıklamakta yetersiz kaldığı mikroskobik dünyayı anlamak üzere geliştirilen bu teori, yalnızca doğa yasalarını derinlemesine kavramamızı sağlamakla kalmamış, aynı zamanda modern teknolojinin temellerini de atmıştır.
Günümüzde kuantum teknolojileri, ikinci kuantum devrimi olarak adlandırılan yeni bir döneme işaret etmektedir. Bu dönemde, kuantum sistemlerin süperpozisyon, dolanıklık ve belirsizlik gibi özellikleri kontrollü bir şekilde mühendislik uygulamalarında kullanılmaktadır. Kuantum bilgisayarlar, kuantum duyargalar ve kuantum iletişim sistemleri gibi uygulamaların; bilgi işlem, güvenlik, sağlık ve savunma gibi alanlarda köklü dönüşümlerin öncüsü olacağı öngörülmektedir.
Bu makalede, kuantum teknolojilerinin tarihsel gelişimi, temel ilkeleri, uygulamaları ve toplum üzerindeki potansiyel etkilerini ele alacak ve bu alandaki kendi çalışmalarımdan bahsedeceğim.
2. Kuantum Devrimleri: Temeller ve Teknolojik Uygulamalar
Kuantum mekaniği, 20. yüzyılın başlarında Max Planck’ın kara cisim ışıması problemini çözmek amacıyla enerjinin ayrıklığını önermesiyle doğmuştur. Bu adımı, Einstein’ın fotoelektrik etkiyi açıklaması ve Bohr’un hidrojen atomu modeli takip etmiştir. Schrödinger’in dalga mekaniği ve Heisenberg’in belirsizlik ilkesi ile kuramsal çerçeve tamamlanmış; Born’un olasılıksal yorumu ve Dirac’ın relativistik kuantum teorileriyle kuantum fiziği modern halini almıştır.
Birinci kuantum devrimi olarak nitelendirdiğimiz bu teorik altyapı, 20. yüzyılın ikinci yarısında birçok teknolojik gelişmeye zemin hazırlamıştır. Yarı iletken fiziği ve tranzistörler, bilgisayarların ve dijital çağın temel yapı taşını oluşturmuştur. Lazer teknolojisi, haberleşmeden tıbbi tedavilere geniş bir uygulama alanı bulmuştur. Atom saatleri küresel konumlama sistemlerinin, nükleer manyetik rezonans ise MRI görüntüleme ve spektroskopi tekniklerinin temelini oluşturmuştur. Böylece kuantum mekaniği yalnızca teorik fizik için değil, aynı zamanda teknolojik kalkınma için de vazgeçilmez hale gelmiştir.
İkinci kuantum devrimi olarak da tanımlanan ‘kuantum bilişimin temeli, Richard Feynman’ın 1981 yılında ortaya koyduğu “kuantum simülasyonu” fikri ile atılmıştır. Bunu izleyen yıllarda Bennett ve Brassard’ın kuantum kriptografi protokolleri, Shor’un RSA şifrelemesini kırabilen asal çarpanlara ayırma algoritması ve “kuantum hata düzeltme” kuramı, Grover’ın veri tabanı arama algoritması ve daha birçok önemli gelişme, yeni teknolojik gelişmelerin yapı taşlarını oluşturmuştur. Böylece, kuantum bilgisayarlar ve simülatörler, kuantum duyargalar ve kuantum iletişim ağları gibi teknolojiler ortaya çıkmış ve bu alanda sonraki 50 yıl boyunca yürütülecek araştırmaların yönünü belirlemiştir.
3. Kuantum Bilişim
Kuantum bilişim, kuantum mekaniğinin temel ilkeleri — belirsizlik ilkesi, üst düşüm (süperpozisyon) ve dolanıklık (entanglement) — üzerine kuruludur. Bu alanda bilginin temel birimi olan kübit (qubit), 0 ve 1 değerlerinin kodlandığı iki seviyeli bir kuantum sistemidir. Klasik bitler yalnızca 0 veya 1 değerini alabilirken, kübitler süperpozisyon durumunda bu iki durumu aynı anda temsil edebilir. Klasik devrelerdeki mantık kapılarının yerini, kuantum devrelerde kuantum kapıları alır. Bu kapılar sayesinde birden fazla kübit dolanıklık oluşturabilir; yani klasik sistemlerle mümkün olmayan düzeyde güçlü bağlantılar kurabilir. Ölçüm yapıldığında, belirsizlik ilkesi gereği, kübitler olasılıksal olarak bir değere çökerek sonuç verir. Özetle, kuantum bilişimde bilgi kuantum durumlarında saklanır ve kuantum kapılarıyla işlenir. Bu yaklaşım, klasik bilgisayarların çözmekte zorlandığı çok boyutlu problemlerde muazzam paralel işlem gücü sağlayabilir.
Kuantum bilgi-işlem teknolojilerinin klasik teknolojilere göre potansiyel avantajları birkaç başlık altında toplanabilir (bkz. Görsel 1). Öncelikle, kuantum bilgisayarlar molekülleri ve malzemeleri oluşturan karmaşık, dolanık kuantum sistemleri verimli biçimde modelleyebilir. Bu tür sistemlerin klasik bilgisayarlarda simülasyonu, üstel miktarda bellek gerektirir. Ayrıca, kuantum algoritmaların, asal çarpanlara ayırma veya optimizasyon gibi klasik bilgisayarlar için üstel zaman gerektiren problemleri çok daha kısa, polinom zamanda çözebileceği öngörülmektedir. Bunun yanı sıra, kuantum duyargalar, zaman, yerçekimi ya da elektromanyetik dalgalar gibi fiziksel nicelikleri klasik duyargaların ulaşamayacağı duyarlılıkla ölçebilir. Kuantum sistemler ile, bilgiye izinsiz erişim ve kopyalamaya karşı klasik sistemlerden çok daha güçlü şifreleme gerçekleştirilebilir.
İlerleyen bölümlerde, bu avantajların farklı kuantum teknolojilerinde nasıl somutlaştığını detaylı şekilde inceleyeceğiz.
4. Kuantum Bilgisayarlar ve Simülatörler
Kuantum bilgisayarlar; kuantum hesaplama, simulasyon, optimizasyon, ve makine öğrenmesi gibi uygulamalar için geliştirilen bir teknolojidir. Daha önce bahsettiğimiz algoritmalar, kuantum bilgisayarların klasik sistemlere göre asal çarpanlara ayırma, molekül ve materyalleri modelleme gibi bazı görevlerde üstel veya polinom hız kazanabileceğini göstermiştir. IBM, Google gibi firmalar ve Harvard, MIT, gibi üniversitelerdeki araştırma grupları, farklı fiziksel platformlar (süper iletkenler, iyon tuzakları, fotonik sistemler) kullanarak kuantum işlemciler geliştirmektedir (daha fazla detay için bkz. Görsel 2). Ancak mevcut kuantum bilgisayarlar, hata düzeltme mekanizmalarının sınırlı olması nedeniyle hala "gürültülü ara ölçekli kuantum (NISQ)" düzeyindedir. Yine de kimya simülasyonları, optimizasyon problemleri ve makine öğrenimi gibi alanlarda ön uygulamalar başlamıştır. Öte yandan, kuantum hata düzeltmesi alanında gerçekleştirilen teorik ve deneysel gelişmelerin (Acharya vd., 2025; Bluvstein vd., 2024), uzun vadede klasik bilgisayarlara karşı avantaj sağlayacak uygulamaları mümkün kılarak kuantum bilgisayarlarda yeni bir çığır açacağı öngörülmektedir.
5. Kuantum Duyargalar
Kuantum duyargalar, zaman, yer çekimi, sıcaklık, elektromanyetik dalga gibi fiziksel nicelikleri ölçmek için kullanılan parçacıkların kuantum durumlarından (örneğin spin, enerji seviyesi) yararlanır ve bu sayede klasik duyargaların ötesinde bir duyarlık sunar. Özellikle atomik saatler, manyetometreler, gravimetreler ve interferometrik sistemler bu kategoride yer alır. Örneğin, optik geçişlere dayalı atom saatleri milyarda bir saniyelik hassasiyetle zaman ölçebilir, bu da GPS gibi konum belirleme sistemlerinde kritik rol oynar. Elmas içinde bulunan azot-boşluk (NV) merkezleri, nanometre ölçeğinde manyetik alanları ölçebilen kuantum duyargaların temelini oluşturur. Bu duyargalar, moleküler yapı analizinden biyomedikal görüntülemeye, jeolojik taramalardan görünmez araç ve denizaltıların tespitine kadar geniş bir kullanım alanına sahiptir.
Özellikle kuantum dolanıklığı kullanan çok parçacıklı duyarga sistemleri, klasik istatistiksel sınırlamaların ötesine geçerek daha az parçacıkla daha hassas ölçümler yapmayı mümkün kılmaktadır. Ancak bu tür sistemlerde, dolanık haldeki parçacıkları korumak ve çevresel etkilere karşı kararlılık sağlamak önemli mühendislik problemlerini de beraberinde getirmektedir.
6. Kuantum İletişim Ağları
Kuantum iletişim, klasik iletişim yöntemlerinden farklı olarak kuantum durumları (örneğin fotonların polarizasyonu) kullanarak veri iletimine dayanır. Bu iletişim şekli, üçüncü bir tarafın bilgiyi dinlemeye çalıştığında sistemin kuantum doğası gereği ölçümle değişmesi nedeniyle doğal olarak güvenlidir. En bilinen uygulamalardan biri Kuantum Anahtar Dağıtımı (QKD)’dir. BB84 protokolü ile bilinen bu yöntemle, taraflar arası şifreleme anahtarları fiziksel olarak müdahale edilemez bir biçimde değiş tokuş edilebilir. Bu tür iletişim protokollerinin ölçeklendirilmesi ile, güvenli ve hızlı küresel iletişim ağları, yani kuantum internet oluşturulması hedeflenmektedir. Ayrıca, birden fazla kuantum bilgisayarın aynı algoritma üzerinde ortak çalışmasını sağlayacak modüler kuantum bilgisayar sistemleri için de cihazlar arası kuantum ağlarının kurulması gerekecektir.
7. Toplum Üzerindeki Etkiler
Kuantum teknolojilerinin toplumsal etkileri, yalnızca bilimsel keşiflerle sınırlı değildir; aynı zamanda ekonomi, güvenlik, sağlık gibi temel alanlarda da dönüşüm yaratma potansiyeline sahiptir (bkz. Görsel 3).
Sağlıkta, kuantum bilgisayarlar yeni ilaçların keşfini hızlandırabilir; kuantum duyargalar ise biyolojik sinyalleri yüksek hassasiyetle algılayarak erken teşhisi mümkün kılabilir. Kuantum optimizasyon yöntemleri lojistik ve finansal problemlerin daha verimli çözülmesine katkı sağlayabilir. Güvenlikte, kuantum iletişim teknolojileri veri aktarımında fiziksel müdahaleye kapalı sistemler sunarken, kuantum radar düşük görünürlüklü nesneleri tespit etmede klasik teknolojileri aşabilir. Ancak, kuantum bilgisayarların mevcut şifreleme yöntemlerini tehdit etmesi, siber güvenlikte yeni standartlara geçişi zorunlu kılmaktadır. Bu nedenle, kuantum sonrası kriptografi üzerine yoğun araştırmalar yürütülmektedir.
Tüm bu etkiler değerlendirildiğinde, kuantum teknolojileri, yalnızca bilimsel bir atılım değil, stratejik bir öncelik olarak da değerlendirilmelidir. Bu güçlü teknolojinin dengeli, etik ve adil bir biçimde kullanılması için genç araştırmacıların desteklenmesi ve eğitim, farkındalık ve disiplinler arası işbirliğinin önceliklendirilmesi gerekmektedir.
8. Kuantum Bilişimine İlgim ve Çalışmalarım
Harvard Kuantum Bilimi ve Mühendisliği doktora programının ilk öğrencilerinden biri olarak, kuantum bilişim alanında teorik araştırmalar yürütüyorum. Fizik ve özellikle kuantum alanına ilgim lise yıllarımda başladı; İstanbul’daki Robert Kolej’de modern fizik dersi alırken, Sabancı Üniversitesi’nde Prof. Ahmet Nihat Berker’in üniversite düzeyindeki derslerine katıldım. Stanford Üniversitesi’nde fizik okurken, henüz ilk yılımda bir kuantum laboratuvarında araştırmalara katılmaya başlamam, akademik yolculuğumda belirleyici oldu. Bir yanda bilgisayar bilimi, matematik ve tarih alanlarında yandal yaparken, Stanford Quantum Computing Association’ın kurucu üyelerinden oldum ve bir dönem başkanlığını yürüttüm. IBM ve Google gibi şirketlerin desteğiyle 2021’de, dünya çapında katılımcıların yer aldığı büyük bir kuantum hackathon’u organize ettik. IBM Quantum’daki stajım ise akademik bilgimi endüstriyel uygulamalarla birleştirmeme olanak sağladı. Ek olarak, bilimde kapsayıcılığı artırmak amacıyla, kadınları ve farklı toplumsal kesimleri kuantum bilimlerine dahil etmeye yönelik çeşitli etkinlikler ve mentörlük çalışmaları yürüttüm.
2022 yılında Stanford’dan mezun olduktan sonra, Harvard Üniversitesi’nde yeni açılan Kuantum Bilimi ve Mühendisliği doktora programına kabul edildim. Burada, Harvard Quantum Initiative çatısı altında fizik, mühendislik ve bilgisayar bilimi gibi alanlardan birçok araştırma grubu bir araya gelerek kuantum bilgisayarlar, duyargalar ve iletişim ağları gibi teknolojiler için gerekli fiziksel platformları inşa ediyor; yeni uygulamalar ve algoritmalar geliştiriyor. Ben de teorik çalışmalarımı, nötr atom kuantum bilgisayarları konusundaki öncü çalışmalarıyla tanınan Prof. Mikhail Lukin’in araştırma grubunda sürdürüyorum.
Araştırmalarımda, doğadaki karmaşık materyal ve moleküllerden, evrendeki temel parçacık ve kuvvetlere kadar pek çok gizemli sistemin temelinde yatan kuantum çok-parçacıklı sistemleri modellemek ile ilgileniyorum. Bu sistemleri kuantum bilgisayarlar ve simülatörler aracılığıyla temsil edebilmek amacıyla yeni algoritmalar ve uygulamalar geliştirmeyi hedefliyorum. Özellikle, nötr atom dizileri ile programlanabilir kuantum simülasyonları gerçekleştirebilmek için, Floquet Mühendisliği yöntemiyle atomlar arasında yapay olarak yeni kuantum etkileşim biçimleri yaratmayı amaçlıyoruz (Köylüoğlu vd., 2024; Feldmeier vd., 2024, bkz. Görsel 4). Bunun yanı sıra, çok-parçacıklı kuantum sistemlerde denge dışı dinamikleri ve kolektif davranışları inceliyoruz. Harvard’daki deneysel gruplarla birlikte, kuantum kaba tanelenme gibi süreçleri, nötr atom kuantum simülatörlerinde gözlemledik (Manovitz vd., 2025, bkz. Görsel 4).
Araştırmalarımın bir diğer yönü ise, bu karmaşık ve dolanık sistemleri ileri kuantum teknolojileri geliştirmek için nasıl kullanabileceğimiz üzerine. Özellikle, klasik duyargalarla ulaşılamayacak ölçüm hassasiyetlerine erişebilen çok-parçacıklı dolanık duyarga durumlarının oluşturmak oluşturulması ve çevresel gürültüye karşı korunması, zorlu bir kontrol problemi. Bu bağlamda, elmas içinde bulunan azot-boşluk (NV) merkezleri ile yürütülen deneysel çalışmalara teorik katkı sağlıyorum (Gao vd., 2025, bkz. Görsel 4).
Bu tür araştırma sorularını ele alarak, yalnızca kuantum teknolojilerinin sınırlarını genişletmek ile kalmıyor; aynı zamanda yeni uygulama alanlarının temellerini de atmaya çalışıyoruz.
9. Sonuç
Kuantum teknolojileri, yalnızca bilim dünyasını değil, toplumun tüm katmanlarını etkileyebilecek dönüştürücü bir güce sahiptir. Bu nedenle, bilimsel ilerlemelerin yalnızca laboratuvarlarla sınırlı kalmayıp; endüstride, kamu politikalarında ve eğitim sisteminde de karşılık bulması hayati önem taşımaktadır. Kuantum çağını karşılamak için toplum olarak hazır olmak hem altyapı yatırımlarını hem de insan kaynağını zamanında oluşturmak büyük önem taşımaktadır. Bu teknolojilerin verimli, bilinçli ve sorumlu bir biçimde topluma entegre edilebilmesi için disiplinler arası iş birliği kamuoyunun eğitimi ve uluslararası koordinasyon büyük önem taşımaktadır.
Görsel 1 ile ilgili Kaynaklar:
Patel, D. K., Domínguez-Martín, A., del Pilar Brandi-Blanco, M., Choquesillo-Lazarte, D., Nurchi, V. M., & Niclós-Gutiérrez, J. (2012). Metal ion binding modes of hypoxanthine and xanthine versus the versatile behaviour of adenine. Coordination Chemistry Reviews, 256(1), 193–211. doi:10.1016/j.ccr.2011.05.014
RSA SecurID, https://www.rsa.com/products/securid/
Photo credit: Andrew Brookes /National Physics Laboratory / Science Photo Library, https://www-nature-com.ezp-prod1.hul.harvard.edu/articles/d41586-024-01394-w
Görsel 2 ile ilgili Kaynaklar:
Photo credit: IBM, https://www-nature-com.ezp-prod1.hul.harvard.edu/articles/d41586-021-03476-5
Photo credit: David Nadlinger / University of Oxford, https://www.physics.ox.ac.uk/research/group/ion-trap-quantum-computing
Photo credit: Rose Lincoln / Harvard Staff Photographer, https://news.harvard.edu/gazette/story/2021/07/harvard-led-physicists-create-256-qubit-programmable-quantum-simulator
Görsel 4 ile ilgili Kaynaklar:
L. S. Martin et. al, PRL 130, 210403 (2023)
Kaynaklar
1. Acharya, R., Abanin, D. A., Aghababaie-Beni, L., Aleiner, I., Andersen, T. I., Ansmann, M., Arute, F., Arya, K., Asfaw, A., Astrakhantsev, N., Atalaya, J., Babbush, R., Bacon, D., Ballard, B., Bardin, J. C., Bausch, J., Bengtsson, A., Bilmes, A., Blackwell, S., … Google Quantum AI and Collaborators. (2025). Quantum error correction below the surface code threshold. Nature, 638(8052), 920-926. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08449-y
2. Bluvstein, D., Evered, S. J., Geim, A. A., Li, S. H., Zhou, H., Manovitz, T., Ebadi, S., Cain, M., Kalinowski, M., Hangleiter, D., Bonilla Ataides, J. P., Maskara, N., Cong, I., Gao, X., Sales Rodriguez, P., Karolyshyn, T., Semeghini, G., Gullans, M. J., Greiner, M., … Lukin, M. D. (2024). Logical quantum processor based on reconfigurable atom arrays. Nature, 626(7997), 58-65. https://doi.org/10.1038/s41586-023-06927-3
3. Manovitz, T., Li, S. H., Ebadi, S., Samajdar, R., Geim, A. A., Evered, S. J., Bluvstein, D., Zhou, H., Koyluoglu, N. U., Feldmeier, J., Dolgirev, P. E., Maskara, N., Kalinowski, M., Sachdev, S., Huse, D. A., Greiner, M., Vuletić, V., & Lukin, M. D. (2025). Quantum coarsening and collective dynamics on a programmable simulator. Nature, 638(8049), 86-92. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08353-5
4. Köylüoğlu, N. U., Maskara, N., Feldmeier, J., & Lukin, M. D. (2024). Floquet engineering of interactions and entanglement in periodically driven Rydberg chains (No. arXiv:2408.02741). arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2408.02741
5. Feldmeier, J., Maskara, N., Köylüoğlu, N. U., & Lukin, M. D. (2024). Quantum simulation of dynamical gauge theories in periodically driven Rydberg atom arrays (No. arXiv:2408.02733). arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2408.02733
6. Gao, H., Martin, L. S., Hughes, L. B., Leitao, N. T., Put, P., Zhou, H., Koyluoglu, N. U., Meynell, S. A., Jayich, A. C. B., Park, H., & Lukin, M. D. (2025). Signal amplification in a solid-state quantum sensor via asymmetric time-reversal of many-body dynamics (No. arXiv:2503.14598). arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2503.14598
Yorumlar