Evrenin Gizli Hesap Makinesi: Kuantum Bilgisayarları Gerçekliği Çatlatıyor mu?

Kuantum bilgisayarları hakkında konuşurken en cazip cümle şudur: Aynı anda birden fazla ihtimali hesaplıyorlar. Kulağa evrenin perde arkasında çalışan kozmik bir kumarhane gibi gelir. Sanki makine, gerçekliğin bütün alternatif senaryolarını masaya serer, her birini dener ve en iyi sonucu cebimize koyar. Güzel bir imge, ama biraz fazla sihirli. Kuantum bilgisayarın asıl numarası, her ihtimali tek tek deneyip raporlamak değil; ihtimallerin dalga gibi birbirini güçlendirmesini ve söndürmesini ustaca kullanmaktır.

Klasik bilgisayar, bit denen küçük karar taşlarıyla çalışır: 0 ya da 1. Kuantum bilgisayar ise kubit kullanır. Kubit, ölçülmeden önce 0 ve 1 olasılıklarının bir karışımı halinde bulunabilir. Buna süperpozisyon diyoruz. Fakat dikkat: Bu, kubitin cebinde iki ayrı cevap taşıdığı anlamına gelmez. Daha çok, bir melodinin aynı anda birden fazla notanın matematiksel gerilimini taşıması gibidir. Ölçtüğünüzde tek bir nota duyarsınız; ama ölçmeden önceki yapı, hesaplamanın yönünü belirler.

Kuantum Apartmanı: Komşunuz Sizi Aynı Anda Hem Seviyor Hem Sevmiyor Olabilir mi?

Schrödinger’in kedisi, fizik tarihinin en meşhur düşünce deneylerinden biridir; ama ne yazık ki apartman ilişkileri için doğrudan bir kullanım kılavuzu değildir. Kedi hem ölü hem diri olabilir mi sorusu, aslında kedilerden çok kuantum kuramının mikroskobik dünyadaki tuhaflığını makroskobik dünyaya taşıdığımızda ortaya çıkan zihinsel gürültüyü gösterir. Peki aynı mantıkla komşunuz da sizi aynı anda hem seviyor hem sevmiyor olabilir mi? Kısa cevap: Kuantum anlamda hayır. Sosyal anlamda ise neredeyse her gün.

Önce fizik masasına oturalım. Süperpozisyon, bir kuantum sisteminin ölçülmeden önce birden fazla olası durumda matematiksel olarak birlikte temsil edilmesidir. Bir elektronun spini, bir fotonun polarizasyonu veya bir atomun enerji düzeyi bu şekilde davranabilir. Ancak burada kritik kelime matematiksel temsil ve ölçümdür. Kuantum durumları, çok hassas koşullarda, çevreden izole edildiğinde süperpozisyonlarını korur. Bir sistem çevresiyle etkileştikçe, yani hava molekülleriyle, ışıkla, ısı titreşimleriyle, duvarla, kapı ziliyle ve komşunun terliğiyle temas ettikçe, süperpozisyon pratikte kaybolur. Buna eşevresizlik, yani dekoherens denir.

Kuantum Uzaktan Etki

Spin, yalnızca mikroskobik dünyada görülen bir durum. Spin durumundaki parçacıklar, küçük topaçlar gibi sanki kendi etraflarında dönüyorlarmış gibi davranırlar. Tek fark, aslında bunu yapmıyor oluşları. Yani kendi etraflarında dönmüyorlar! Bir kez daha, mikroskobik dünyanın idrak edilemez temeline iniyoruz. Parçacıkların spini, içsel öngörülemezlikleri gibi, gündelik dünyamızda doğrudan örneğini veremeyeceğimiz bir durum. Mikroskobik parçacıklar farklı miktarlarda spine sahip olabilir. Var olan en düşük spine sahip parçacık elektrondur; bu da onun iki farklı yönde dönebilmesini sağlar. Bu dönüş ya saat yönünde ya da saat yönünün tersinde olabilir (aslında hiç dönmüyor olsa da!).

Eğer ki biri saat yönünde, diğeri ise saat yönünün tersine bir spinle, iki elektron birlikte yaratılırsa, elektronların spini birbirini götürür. Fizikçiler bu durumda toplam spinin sıfır olduğunu söyleyecektir. Elbette tam tersi de geçerlidir. İlk elektron saat yönünün tersine, ikincisi ise saat yönünde bir spine sahip olsaydı da, toplam spin yine sıfır olurdu.

Heisenberg Belirsizlik İlkesi

Elektron gibi mikroskobik bir parçacığın perde üzerindeki her iki yarıktan birden aynı anda geçebilmesini mümkün kılan, bu parçacığın iki ayrı dalganın süperpozisyonu olarak var olabilmesidir.

Yarıkların birinden geçen parçacığın bağlı olduğu bir dalga ve yarıkların diğerinden geçen parçacığın bağlı olduğu bir diğer dalga söz konusudur. Ancak parçacığın söz konusu şizofren davranışının fark edilebilmesi için bu yeterli değildir; ihtiyaç duyulan, ikinci perde üzerinde bir girişim deseninin oluşmasıdır. Ancak bunun için de elbette ki, süperpozisyon içindeki farklı dalgaların girişimde bulunması gerekmektedir. Ve de, elektronun bahsettiğimiz tuhaf kuantum davranışını gösterebilmesi için asıl gerek duyulan unsurun girişim olması gerçeği, doğanın elektron hakkında ne kadar çok şey bilmemize müsaade edeceği üzerinde belirleyici durumdadır.

Neden Yalnızca Küçük Şeyler Kuantumdur

Kuantum bilgisayarları, inşası aşırı derecede zor olan makinelerdir. Bunun nedeni, bir kuantum süperpozisyonunun farklı durumlarının birbirleriyle girişimde bulunma yetisinin çevresi tarafından yok edilmesi ya da ciddi bir şekilde indirgenmesidir. Bu yıkım çift yarık deneyinde canlı bir şekilde görülebilir. Yarıkların birinden geçen bir parçacığı ayırt edebilmek için bir tür parçacık dedektörü kullanılacak olursa, perdedeki girişim şeritleri hemen gözden kaybolur ve yerini, az çok tekdüze bir aydınlanma alır.

Parçacığın hangi yarıktan geçtiğini gözlemleme davranışı, parçacığın aynı anda her iki yarıktan birden geçtiği süperpozisyon durumunu yok etmek için yeterlidir. Ve tek bir yarıktan geçen bir parçacığın girişim sergilemesini beklemek, tek elinizle bir şeyi alkışlamaya çalışırken ses çıkmasını beklemekten farksızdır. Gerçekte burada olan şey, parçacığın dış dünya tarafından yerinin saptanması ya da ölçülmesi için çalışılmasıdır.