Fizik Nobeli kuantum optik çalışmalarına verildi. Kuantum optiği biraz anlatabilir misiniz?

Kuantum optik madde ve ışık arasındaki etkileşimlerin kuantum ve ışığın kuantum istatiksel yapısını inceleyen bir fizik branşıdır. 1960’larda lazerin icadı ile bu çalışmalar hız kazanmış veya daha belirgin hale gelmiş olsa da ışığın veya daha teknik konuşmak gerekirse elektromanyetik radyasyonun kuantum incelemelerini kuantum fiziğinin doğum tarihine kadar geriye götürebiliriz. Işığı yansıtmayan, siyah cisimlerin sabit sıcaklıkta yaptıkları ışımaların analizleri ile kuantum kuramı ortaya çıkmıştır.

Einsteinʼın fotoelektrik kuramı ve Diracʼın ışığın kuantum kuramı da yine kuantum optiğin alt yapısında yer alır. Bu çalışmalar da Nobel almış olsa ve kuantum optiğe temel oluştursa da kuantum optiğin amaç ve kapsamından çok daha genel etkileri olduğu için kuantum optik Nobelleri demek çok uygun olmaz. Öte yandan bu genel çalışmalar dışında daha özel olarak kuantum optiğin babası diyebileceğimiz R. Glauber ışığın kuantum parçacıkları olan fotonların kuantum istatiksel analizini sistematik olarak ele almıştır. Kendisine bu katkılarından dolayı verilen 2005 Nobel Ödülü kuantum optiğe verilen ilk Nobel'dir denilebilir. Ancak tarihi ilk kuantum optik etkisi diyebileceğimiz Lamb etkisi ile ilgili 1955 Nobelʼini de not edelim.

Bu sene verilen kuantum optik ödülü söyle bir enteresan noktaya sahip. Haroche fotonları tuzaklayıp onların kuantum istatiksel özelliklerini atomları kullanarak ölçmeye çalışıyor. Wineland ise bunun tersine iyonları tuzaklayıp fotonlar ile iyonların kuantum özelliklerini araştırıyor. Bu açıdan bakınca Wineland öncesinde atom tuzakları ve lazer soğutma konusu ile ilgili 1997 Nobel ödülünü ve 2001 yılında atom gruplarının tuzaklanıp Bose-Einstein fazına kadar soğutulmaları üzerine verilen Nobel ödülünü de hatırlatmakta yarar var. 2012 Nobeli bu çalışmaların daha pratiğe yönelik bir uzantısı gibi görülebilir.

Serge Haroche ve David Wineland'ın geliştirdiği deneysel yöntemler ne gibi yeni olanaklara yol açtı?

Çağımızda bilgi transferi ve depolama kritik bir teknoloji. Çok sayıda insan bu teknolojiden yararlanıyor. Aynı radyo istasyonlarının birbirine çok yakın frekansta olmaları halinde ortaya çıkan gürültü gibi internet ve benzeri bilgi transferi araçları da bu tür gürültülerden muzdarip. Bu gürültü bilgi sinyallerinin bir genişliğe sahip olmaları ve birbirleri ile örtüştüklerinde birbirlerini bozmalarından kaynaklanıyor diyebiliriz. Sinyalleri daha dar yapmak buna bir çözüm. İşte kuantum optik fotonlar ile bilgi transferi yaparken bu gürültüyü kuantum istatiksel yöntemler ile azaltmayı sağlıyor.

Frekans zaman ile ilintili bir kavram. Zamanı hassas ölçmek eski bir emperyalist problem. Amerika gibi uzak kıtalardaki zenginlikleri yaşlı kıta Avrupaʼya transfer etmek için okyanusları aşan yelkenli gemilerde zamanı ölçmek, bu gemilerin konumunu bilmek için çok önemli idi. Newton da bu problem ile yakından ilgili idi. İngiliz imparatorluğunun büyük ödüllü problemi idi bu...

Günümüzde bilgiyi yüksek kapasitede transfer etmek için yine hassas saatlere ihtiyaç var. İleride gezegenler arası kaynak transferi için yine kuantum optik kurtarıcı olabilir. Hassas zaman ölçümü için atom saatler kullanıyoruz. Haroche ve Wineland çalışmaları bu atom saatlerin gelişmesine doğrudan kritik katkılar yaptılar.

Ülkemizdeki atom saati de dünyadaki örnekleri arasında en iyilerden biri. Gebze'de bulunan bu saati Ulusal Metroloji Enstitüsü web sayfasını ziyaret ederek kullanmak mümkün.

Daha temel olarak 2012 Nobel ödülü aslında çok hassas, kırılgan yapılı kuantum parçacıkların erişilebilir, ölçüm ve kontrole tabi tutulabilir sürede kullanılabilir olduğunu göstermesi açısından bir dönüm noktasıdır. Kuantum fiziğinin müthiş bilgi birikimini teknolojik olarak hayatımızda daha çok görmeye başlayabileceğimizin sinyali olabilir.

Uygulama alanları ile ilgili herhangi bir öngörüde bulanabilir miyiz?

Mevcut atom saat gibi çok kritik uygulama alanı dışında yakın gelecekte kuantum teknolojilerinin hayatımıza girmesinde kuantum optiğin çok etkili olacağı öngörüsünde bulunmak mümkün. Zira bu Nobel ödülü biraz da bu motivasyona sahip ve bu yöndeki çalışmaları cesaretlendirici nitelikte.

Kuantum kriptoloji zaten oldukça başarılı bir ilerleme kaydetti. Fotonlar ile kuantum mekanik prensiplerini kullanan kripto algoritmaları İsviçre seçimlerinde, çeşitli bankalarda ve deneme amaçlı askeri-hükümet ve üniversite ağlarında kullanılıyor. Bunların yakın gelecekte gelişip yaygınlaşacağını düşünebiliriz. Uzun mesafelerde olmasa da kuantum ışınlama ile fotonların kullanıldığı kuantum haberleşme kanalları da mevcut. Bunların da yakın gelecekte gelişip yaygınlaşması olası. En çok arzulanan kuantum bilgisayar düşü de uzun vadede gerçek olabilir. Bunun önünde hâlâ kuantum sistemlerin kırılgan yapısı durmakta. 2012 Nobeli foton ve atomları ayrı ayrı inceleyen iki bilim insanına verildi. Ancak kuantum bilgisayar düşü için bu iki kuantum sistem el ele çalışabilir düşük boyutlu elektron gazları, süper iletken devreler gibi ek sistemler ile daha hibrit çözümler ile yeterli süre bozulmadan kalabilecek kuantum bilgisayar sistemleri geliştirilebilir.

Haroche ve Wineland’ın ortak Nobel ödülü bu açılardan hayal gücünün yeni zaferlerine ışık tutacak bir ödül olmuştur.

(soL-Bilim)