Kuvantum Teknolojileri: Geçmişten Geleceğe Hayatımızda Kuvantum

Kuvantum teknolojilerinin dünyamızı yaşanmaz ve insanın insana kulluk ettiği modern

kölelik ve savaş gezegenine dönüştürmesi de mümkün, daha demokratik, adil ve gezegenimize dost bir refah anlayışının tüm kıtalara yaygınlaştırılabildiği insana yakışır bir üst medeniyete taşıması da...

1927 Solvay Fizik Konferansı katılımcıları. Neredeyse tamamı Kuvantum Mekaniğinin gelişmesinde öncülük etmiş bilimciler.  Ön Sıra (soldan sağa): Irving Langmuir, Max Planck, Marie Curie, Hendrik Lorentz (başkan), Albert Einstein, Paul Langevin, Charles-Eugène Guye, C.T.R. Wilson, Owen Willans Richardson Orta Sıra (soldan sağa): Peter Debye, Martin Knudsen, William Lawrence Bragg, Hendrik Anthony Kramers, Paul Dirac, Arthur Compton, Louis de Broglie, Max Born, Niels Bohr Arka Sıra (soldan sağa): Auguste Piccard, Émile Henriot, Paul Ehrenfest, Édouard Herzen, Théophile de Donder, Erwin Schrödinger, Jules-Émile Verschaffelt, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg, Ralph Fowler, Léon Brillouin.

İçinde bulunduğumuz yıl Birleşmiş Milletler tarafından Uluslararası Kuvantum Yılı olarak ilan edildi. Yazıya bu yılın öncelikle dünyamızda ve ülkemizde bilimin önderliğinde barış, eşitlik ve huzur ortamının sağlanmasında yeni bir başlangıç olması dileğiyle başlıyorum.      

1800’lü yılların sonlarından itibaren dünya, fizik alanında büyük hamlelere gebeydi. Klasik fizik anlayışı bilinen kuramlarla açıklanamaz deneylerle sarsılmaktaydı. Bu sarsıntılara öncülük eden birinci husus termodinamik yasalarıyla bilinen ideal gaz kuramının radyasyon kuramı ile çelişkilerinin ortaya çıkarılmasıydı. Buna paralel olarak, ışığın ve boşluğun doğasının anlaşılması konusunda geniş bir çerçevede deneysel çalışmalar yapılmaktaydı. Fiziğin son altın çağı olarak bilinen bu heyecanlı dönem 1870’li yıllardan 1970’li yıllara kadar devam eden ve var olan fizik yasalarının devrimsel nitelikte değiştiği, yeni fizik yasalarının bulunduğu bir dönemdir. Bu çağda, Newton’dan beri süregelen klasik fizik biliminin uzay-zaman, madde-enerji, parçacık-dalga gibi temel kavramları büyük değişikliğe uğradı. Özel ve Genel Görelilik kuramları, uzay-zaman, madde-enerji ve boşluk kavramlarının gözden geçirilmesini gerektirdi. Diğer yandan parçacık ve dalga karakteri üzerine elde edilen ilerlemeler gerçekliğin klasik anlayışta olduğu gibi ya parçacık ya da dalga şeklinde olmayıp bu ikisinin bir karışımı olduğuna işaret ediyordu. Ölçülen büyüklüğe bağlı olarak aynı gerçeklik kendisini parçacık ya da dalga şeklinde göstermekteydi. Yeni kuram ışık enerjisinin hem bir dalga hem de tanecik karakteri gösteren ve foton olarak adlandırılan enerji birimlerinden oluşması üzerine kuruldu. Bu yeni anlayış kendini kuvantum fiziği (KF) olarak gösterdi. Işık, foton dediğimiz enerji kuvantumlarından oluşmaktaydı ve ileride bu resim, bozulmadan çok daha genel ve evrensel bir çerçeveye oturacaktı.

İngiltere’de geliştirilen bir süperiletken kuvantum bilgisayar devresi.  

Bugün kuvantum mekaniğinin (KM) gerçeklik konusunda getirdiği bu devrimsel değişiklikler yaşadığımız güncel dünyamıza tam olarak yansıtılabilmiş olmamasına karşın KM’nin teknolojik anlamda günlük hayatımıza girmesi 1900’lerin başından beri süregelmektedir. Bu nedenle KF’nin günlük teknolojilerdeki uygulanma alanları kendisi kadar eskidir. Teknoloji hem bilimsel ilerlemeyi hızlandırmakta hem de hayatımızı her alanda kolaylaştıran çözümler üretmektedir. Biz bu makalede işin felsefi ve bilimsel derinliğini bir kenara bırakarak hayatımızdaki ve bilimin ilerlemesindeki somut teknolojik yansımalarını tartışacağız.

Topolojik kuvantum malzemelerde  enerji uzayında uyarılmalar.  

Günümüzden yaklaşık 100 yıl kadar önce, KF’nin ilk uygulama alanları ortaya çıktığı yıllarda kuvantum teknolojileri (KT) tanımlaması kullanılmıyordu. 1930’lu yıllardan 1945’lere kadar yapılan ve atom çekirdeği enerjisinin kontrol edilebilir şekilde açığa çıkarıldığı nükleer füzyon çalışmalarından başlamak üzere [1], atomik saatler (I. Isaac Rabi 1930) [2], LASER “Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation”, MASER “Microwave Amplification by the Stimulated Emission of Radiation” ve yarı iletken eklemler ilk KT olarak söylenebilir. LASER ve MASER’in her ikisi de prensip olarak 1917 Albert Einstein’ın fotoelektrik olayına dayalı olarak 1964’te A. Prokhorov, N. Basov ve C. Townes’a Nobel Ödülü kazandırdı [3]. Yarı iletken eklemler ise 1947’den itibaren önem kazanmaya başladı [4]. Elektron ve deşik akımlarının yarı iletken eklemlerde 1954’lerden itibaren kontrol edilebilmesi güneş radyasyonundan elektrik enerjisi elde edildiği modern güneş hücrelerine kadar evrimleşti. KT’ye 1971’de manyetik rezonans görüntüleme (MRI) eklendi [5].

Grafende diklemesine yüzey akustik dalgalarının görselleştirilmiş hali.  

KF uygulama alanlarında geliştirilen teknolojileri günümüze kadar eksiksiz sayabilmek mümkün değil. Günlük hayatımıza en çok girenler yarı iletken teknolojilerinde oldu. 1947’li yıllarda deneysel kristal büyütme tekniklerinin ve kristal fiziğindeki teorik gelişmelerin sonucu olarak, yarı iletken eklemlerden tranzistör ve sonraları diyot geliştirildi [6]. Bunlar ilk lineer olmayan devre elemanları olarak tüm elektronik aygıtların ve daha sonra bilgisayar mantık kapılarının temel elemanları oldular. Aradan 10 yıl geçmeden yeni tranzistör yapıları geliştirildi. İlk transistörlü bilgisayar 1953 yılında İngiltere’de kullanıldı. Daha sonra farklı teknolojilerle geliştirilen devre elemanlarına, kullandıkları teknolojinin sonucu olarak MOSFET, PMOS, NMOS ve CMOS adları verildi. Bütün bu gelişmeler gelecekte uzay roketlerinden tıbbi uygulama alanlarına kadar her yerde kullanılacaktı. 1960’lı yılların başlarından itibaren tümdevreler geliştirildi [7]. Bu yapılar, birden fazla devre elemanının aynı düzlemde üretilebilmesiyle, (anakart/mother board) işlem hızının ve soğutma veriminin çok yükseklere çekilmesinde etkili oldu.             

İki boyutlu grafen tipi malzemelerde tipik bir Fermi enerji yüzeyi. 

1950’li yıllarda süper iletkenliğin kuvantumsal özelliklerinin mikroskobik seviyede anlaşılmasının ardından 1960’larda yeni süper iletken teknolojilerinin ortaya çıkmasına neden olan Josephson Etkisi kuramsal olarak keşfedildi ve deneysel olarak gözlemlendi [8]. Yine aynı yıllarda büyük matematikçimiz Cahit Arf, devrim niteliğindeki bir soruya cevap aramaktaydı: Makine düşünebilir mi ve nasıl düşünebilir? Arf, ilk fikirlerini 1958 Erzurum Atatürk Üniversitesi halk konferanslarında dile getirdi [9]. 1970’li yıllarda süper iletken girişim aygıtları (SQUID) çoktan üretilmeye başlanmış ve tıptan yer bilimlerine kadar çok geniş bir kullanım alanı bulmuştu. Richard Feynman 1982 yılında yazdığı ilginç bir makalede KF’nin en temel prensiplerinden biri olan süperpozisyon ilkesini kullanarak yapılabilecek bilgisayar simülasyonlarından bahsediyordu [10]. Bu iki makaleden birincisinin (Arf) hak ettiği yüksek ilgiyi oluşturması için bilimsel ekosistem yeterli değildi ve değerinin anlaşılması için çok yıllar geçti. İkincisi ise (Feynman), bilimin sivil toplumca içselleştirilebildiği toplumsal koşullarda, kuvantum bilgi-işlem alanında yepyeni bir KT devriminin başlangıcı oldu.    

Topolojik kuvantum durumlarının iki ve üç boyutlu gösterimleri. [Yijie Shen, Qiang Zhang , Peng Shi, Luping Du, Xiaocong Yuan 4 & Anatoly V. Zayats,  Nature Photonics, 18 15 (2024)] 

Kuvantum bilgisayarların [11] temel işleyiş prensipleri sadece KF’nin yeni laboratuvar ve deney teknolojilerinde kullanılması anlamında değil, aynı zamanda matematiksel olarak kuvantum uzaylarında da bilgi işleme, bilgi saklama, bilgi kopyalama ve silme gibi tümden yeni matematiksel teorilerin de geliştirilmesini gerekli kılıyordu. Kübit (QUBIT) adı verilen bu yeni kuvantum birimi klasik bilgisayarlardaki 0-1 mantık işlemlerini temelden değiştirerek ve kuvantum fiziğinin dolanıklık (entanglement) özelliğini kullanarak, kuvantum paralel işleme yolu ile üstel (exponansiyel) işlem hızlarına erişilebileceğine işaret ediyordu. 1985’ten itibaren Deutch algoritması ile yeni kuvantum mantık kapı modelleri ortaya çıkmaya başladı. Arkasından Shor (1994) ve Grover (1996) algoritmaları bulundu ve kuvantum bilgisayarların klasik bilgisayarlara üstünlük sağladığı mantık işlemleri geliştirildi [12]. Tüm bunlara paralel olarak bilimsel ilerlemenin engelli koşusunda yeni zorluklar ortaya çıkmaktaydı. KM bir kapalı sistem olarak formüle edilmişti. Kuvantum bilgisayarlar ise işledikleri verileri kuvantumsal olmayan dış dünyaya aktarmak zorundalar. Bir kapalı kuvantum sistemi dışa açılarak karmaşık dünya ile bağlantı kurduğunda kuvantum özelliklerini nano saniyeler  içinde yitiriyor. Bu özellik hem kuvantum bilgiyi depolamak hem de üretilen bilgiyi okuma konusunda en büyük zorlukların başında geliyor. KM’nin laboratuvar ortamında klasik dünya ile buluşmasını zorlaştıran bu soruna uyumsuzluk (decoherence) diyoruz. Bu son derece zor problemin çözümünde bugün önerilen kuvantum bilgisayar mekanizmaları arasında hangisinin daha üstün olacağına dair bir doğal seçim henüz yapılabilmiş değil. Örneğin QUBIT için kuvantum noktalardan, iki enerji seviyeli spin sistemlerine, d-dalgası içeren süper iletkenlerden atom çekirdek spininin manyetik alan altında rezonans hareketi olan nükleer manyetik rezonansa ve Bose-Einstein yoğuşkanlarına kadar onlarca farklı mekanizmanın hangisinin bu uyumsuzluk süresini uzatma yarışını kazanacağını kimse bilmiyor. Profesyonel ve popüler fizik dergilerinde sıklıkla karşılaştığımız haberler bu kıyasıya yarışın dünyanın hangi ülkesinde ve hangi laboratuvarında başarılacağını öngöremiyor. Kuvantum bilgi işleme ile ilgili olarak kuvantum hesaplama (quantum computing), kuvantum şifreleme (quantum cryptography), kuvantum iletişim (quantum communication) ve kuvantum algılama  (quantum sensing) adlarıyla yeni araştırma alanları ortaya çıktı [13]. İnsansı robot araştırmalarında [14] da bir üst nesil androidleri gerçekleştirebilmek için kuvantum robotlar [15] gerekecektir. Bu derinliklere bu makalede giremiyoruz.          

Yeni bir araştırma alanı  olan valleytronics (enerji uzayının vadilerinde yapılan elektronik bilimi) ile grafen benzeri malzemelerin  enerji uzayında kuvantum işlemleri yapabilmek için çalışmalar devam ediyor. 

Yeni nesil KT sadece fiziğin sınırlarını zorlamakla kalmıyor. Bununla ilgili olarak malzeme bilimi için de önemli gelişmelerin önünü açıyor. Bunların başında kuvantum malzemeler denilen yapılar geliyor [16]. Tabii ki KF her malzemenin doğasında var. Bununla beraber, bu yapılar doğada sıklıkla görülmeyip, laboratuvar ortamında saflaştırılarak büyütülen, özel amaçlı malzemeler. Bu malzemeler içinde en önemli olanlar topolojik malzemeler [17]. Birçok özelliği yalıtkanlara/yarı iletkenlere benzeyen, içi yalıtkan, dış yüzey, kenar veya köşeleri iletken özellik gösteren bu ilginç malzemelerin ortak özellikleri; farklı periyodik yapıların birleştiği sınırlarda veya malzeme içinde periyodikliğin bozulduğu çatlak ve kırıklarda oluşmaları. Bu malzemelerde geçerli olan kuvantum etkiler, matematiğin topoloji adı verilen dalı ile de yakından ilişkili. Daha net olarak anlatacak olursak, bu alan kuvantum durumlarının kristalin periyodik enerji uzayında birbirlerine göre elde ettiği fazların aynı bir ayakkabı bağına atılan düğüm gibi iç içe geçmesi ile ilgili. Bu düğümleri ayakkabımıza nasıl farklı şekillerde atabiliyorsak, bu malzemelerde de boyut sayısı, spin ve farklı atom ve orbitallerin oluşturduğu serbestlik uzaylarında farklı topolojik düğümler tanımlanabiliyor. Bu türden topolojik durumların bazılarının en önemli özelliği malzemenin sınırlarında dirençsiz akım yaratabilmeleri ve bu nedenle bilgisayar, kırmık tümdevre gibi elektronik sistemlerdeki ısınma ve enerji kaybı problemlerini çözebilecek potansiyele sahip olmalarıdır. Benzer özellikler süper iletken tellerle de sağlanabilmekte olup günümüzde süper iletken bobinler, bilgisayarlar yapılabilmekte ve hatta süper iletken kullanan trenlerde seyahat edilebilmektedir [18]. Bununla birlikte, topolojik malzemelerin süper iletken teknolojilere büyük avantajları/üstünlükleri bulunmaktadır. Bunun en büyük nedeni, süper iletkenlik koşullarının sağlanabilmesi için sıfır altı 200-250 derecelere kadar soğutulmak zorunluluğu ve üretilen aygıtlarda bundan kaynaklı güç harcamalarının ve fiziksel boyutların azaltılamamasıdır. Süper iletken teknolojilerde, pahalı ve çok düşük sıcaklıklara soğutma zorunluluğu olmayıp oda sıcaklığında süper iletken olabilen malzemelerin arayışı tüm hızıyla devam etmektedir. Bu yarışta rakipler birbiriyle henüz yenişememişlerdir.   

Kuvantum hesaplamada ilginç mekanizmalardan biri olan önerilen topolojik skirmionlar ve birim kürede gösterimleri.

Elektron gibi yüklü parçacıklarla yapabildiğimiz bu işlemleri, kristal içinde hareket eden atomsal titreşim dalgalarıyla da (fononlar) yapabiliyoruz. Bu şekilde malzemenin sadece sınırlarında ilerleyen topolojik titreşim dalgalarını inceleyebiliyoruz. Bunlara topolojik kristal titreşimleri ya da topolojik fononlar diyoruz [19].

Gravitasyonel dalga detektörü de kuvantum teknolojilerinin en yoğun olarak kullanıldığı yerlerden biri.

Topolojik malzemeler laboratuvarlarda moleküler seviyede iğneyle kuyu kazar gibi atom-atom büyütülebiliyorlar. Bu malzemeler birkaç on bin ya da yüz bin atomluk diziler halinde ve daha makroskobik boyutlarda da hazırlanabiliyorlar. Bunlara meta-malzemeler diyoruz [20]. Meta-malzemelerde fotonları yönlendirebiliyor veya fononların kristal içinde farklı yön ve hızlarda sönümlenmeden yol almasını sağlayabiliyoruz. Bu meta-malzemelerde sınırlar üreterek bu uyarılmalara topolojik özellikler kazandırabiliyoruz. Isıl Fonon Hall Etkisi (Thermal Phonon Hall Effect) adı verilen bir mekanizmayla ısı dalgalarının yönlerini bile malzeme içinde değiştirebilmek yakınlarda hayal olmaktan çıkabilir. Henüz bu konu tam olarak anlaşılabilmiş değil [21]. Fotonik meta-malzemeler de en önemli kuvantum malzemeler arasında geliyor. Bu malzemelerde ilerleyen ışığın hızını düşürebiliyor ve yönünü değiştirebiliyoruz. Tüm bu anlattıklarım KT araştırmalarının sadece bir kısmını oluşturuyor. Bu konulardaki bilimsel araştırmalarda her gün onlarca yeni sonuç elde edildiği gibi, bazıları da gizli ve stratejik araştırmalar olarak erişime kapalı laboratuvarlarda yapılıyor ve yayımlanmıyor. Topolojik elektron, foton ve fonon durumları kullanılarak gerçekleştirilebilecek kuvantum bilgisayarlar için de araştırmalar devam ediyor [22].

Tıpta kullanılan cihazlar kuvantum teknolojilerinin en yoğun olarak kullanıldığı yerlere önemli örnek teşkil ediyor.

Bu kısa makalede verilmek istenen mesajın özetine gelinirse, birinci husus böylesine devasa bir konunun kısa bir makalede eksiksiz anlatılmasının mümkün olmadığının okuyucunun takdirine bırakılmasıdır. Umarız bu yazıda, okuyucunun ilgisini uygarlığımızın geleceğini şekillendirecek olan bu ilginç gelişmelere çekmeyi az da olsa başarabilmişizdir. İkinci olarak söylememiz gereken bilim, hayatın tüm derinliklerine nüfuz etmektedir. Gittikçe hızlanan bu tempoda teknolojik bilgiyle toplum yaşamı arasındaki fay hatları gittikçe derinleşmekte ve gerilmeler oluşmaktadır. Çağımızda bir yandan bu toplumsal gerilimleri azaltmak, gittikçe bozulan dünya ekonomik sarmalında maliyetleri düşürmek, diğer yandan bilimsel proje yarışının kızıştığı bu ortamlarda daha büyük bütçeli projeleri daha zorlu bir rekabet ortamında hayata geçirebilmek gereklidir. Tüm bunların yapılabilmesi için toplumun desteğini arttırabilecek yeni bilimsel terimlerin kullanılması gerekliliği doğmuştur. Bu makalede dile getirilmek istenen işin gerçeği, ‘kuvantum teknolojilerinin farklı nesil ve sürümlerden oluşan bir teknolojik devrimler silsilesi olarak 1900’lü yılların başlarından beri süregelmekte olduğudur. Bu makalenin yazarının kişisel görüşüne göre, bu devrime yüz yıllık bir bütün olarak bakmak, temel bilimlerin ve onun sonucu olarak ortaya çıkan yenilikçi teknolojilerin toplumca içselleştirilmesine daha hızlı katkıda bulunacaktır.                          

Gelecekteki bir hastanenin hayali görüntüsü.

En son olarak, kuvantum teknolojilerinin dünyamızı yaşanmaz ve insanın insana kulluk ettiği modern kölelik ve savaş gezegenine dönüştürmesi de mümkün; daha demokratik, adil ve gezegenimize dost bir refah anlayışının tüm kıtalara yaygınlaştırılabildiği insana yakışır bir üst medeniyete taşıması da. İkincisini gerçekleştirebilecek kadar ‘akıllı’ olmayı becerebilmeyi dileriz. 

KAYNAKLAR::

[1] Hahn, O., Strassmann, F. Nachweis der Entstehung aktiver Bariumisotope aus Uran und Thorium durch Neutronenbestrahlung; Nachweis weiterer aktiver Bruchstücke bei der Uranspaltung. Naturwissenschaften 27, 89–95 (1939).

[2] I.I. Rabi, Space Quantization in a Gyrating Magnetic Field, Phys. Rev. 51, 652 (1937).

[3] Charles Townes, How the Laser Happened, Oxford University Press (2002).

[4] Russell Ohl, https://en.wikipedia.org/wiki/Russell_Ohl

[5] R. Damadian, Tumor detection by nuclear magnetic resonance. Science, 171, 1151 (1971)

[6] Lillian Hoddeson, The Discovery of the Point-Contact Transistor, Historical Studies in the Physical Sciences. 12, University of California Press: 41 (1981)

[7] A. Saxena, Invention of Integrated circuits: untold important facts, International series on advances in solid state electronics and technology. World Scientific (2009).

[8] Brian Josephson, The Discovery of Tunnelling Supercurrents, https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1973/josephson/lecture/

[9] Cahit Arf, Makine düşünebilir mi ve nasıl düşünebilir?, Üniversite Çalışmalarını Muhite Yayma ve Halk Eğitimi Yayınları, 1958-1959 Yılı Halk Konferansları, Konferanslar Serisi No.1 Erzurum (1959).

[10] Richard P. Feynman, Simulating Physics with Computers, Int. J. Theor. Phys. 21, 467–488 (1982).

[11] Quantum Computer, https://simple.wikipedia.org/wiki/Quantum_computer; Christine Middleton, What’s under the hood of a quantum computer?, Physics Today (5 Mart 2021) /doi.org/10.1063/PT.6.1.20210305a

[12] Quantum Algorithm, https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_algorithm

[13] Andrew Whitaker, The New Quantum Age: From Bell's Theorem to Quantum Computation and Teleportation, Oxford University Press, (2016).

[14] Android Robots, https://en.wikipedia.org/wiki/Android_(robot)

[15] Quantum Robotics, https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_robotics 

[16] The rise of quantum materials, Nature Physics, 12, 105 (2016)

[17] Yoichi Ando, Topological Insulator Materials, Journal of the Physical Society of Japan, 82, 102001 (2013)

[18] Technological Applications of Superconductivity,

https://en.wikipedia.org/wiki/Technological_applications_of_superconductivity

[19] Elhuyar Fundazioa, Topological phonons: Where vibrations find their twist, https://phys.org/news/2024-05-topological-phonons-vibrations.html ;  https://en.wikipedia.org/wiki/Photonic_topological_insulator

[20] Andrea Alu, Engineered Metamaterials Can Trick Light and Sound into Mind-Bending Behavior, Scientific American, November sayısı, 42 (2022)

[21] Phonon Hall Effect, https://phys.org/news/2005-10-phonon-hall-effect.html

[22] Topological Quantum Computer, https://en.wikipedia.org/wiki/Topological_quantum_computer