güneş ışığından kuantum dolanıklık ürettiler

Kuantum teknolojileri denince aklımıza hep ultra hassas, pahalı ve enerji canavarı lazer sistemleri gelir. Güvenli kuantum iletişimi, kuantum bilgisayarlar, hassas algılama… Hepsinin temelindeki kilit unsur olan “dolanık foton çiftlerini” üretmek için onlarca yıldır lazer kullanılıyordu. Çünkü bilim dünyasındaki yerleşik kanı şuydu: Kuantum dolanıklık ancak lazer gibi “düzenli” (eşevreli) bir ışık kaynağıyla üretilebilir.

Kanada’daki Ottawa Üniversitesi ve Almanya’daki Max Planck Işık Bilimi Enstitüsü’nden (MPL) araştırmacılar ise bu kanıyı yerle bir etti. Ekip, doğrudan güneş ışığını kullanarak kuantum dolanıklık üretmeyi başardı. Üstelik bunu steril bir laboratuvarda değil, Erlangen’deki enstitü kampüsünün açık alanında, üç ayrı günde yapılan ölçümlerle kanıtladı.

Peki tam olarak ne yaptılar?

İşin merkezinde, kuantum optiğin klasik süreçlerinden “kendiliğinden parametrik aşağı dönüşüm” (SPDC) var. Bu süreçte bir “pompa” ışını, doğrusal olmayan (nonlinear) bir kristalin içine gönderiliyor ve pompa ışınından (güneşten) gelen yüksek enerjili tek bir foton, doğrusal olmayan kristal içerisinden geçerken iki alt fotona (yavru fotona) dönüşüyor.

yeni yarı iletken litografi savaşı

×

Bugüne kadar bu pompa ışını hep lazerdi. Araştırmacılar ise lazeri çıkarıp yerine güneş ışığını koydular. Kristal olarak periyodik kutuplanmış potasyum titanil fosfat (ppKTP) kullanıldı ve kristal, bir kutuplanma Sagnac girişimölçerinin (interferometre) içine yerleştirildi.

Küçük bir not: Güneş ışığıyla SPDC yapılabildiği aslında daha önce de biliniyordu; bu yıl yayımlanan bir “hayalet görüntüleme” (ghost imaging) çalışması, güneş ışığıyla üretilen foton çiftleri arasında uzaysal korelasyonlar gözlemlemişti. Ancak dolanıklığın kanıtlanması, yani işin asıl kuantum tarafı ilk kez bu çalışmayla mümkün oldu.

Lazer neden “vazgeçilmez” sanılıyordu?

Bunun iki nedeni vardı:

• Eşevrelilik (koherans) varsayımı: Lazer ışığında dalgalar birbiriyle senkronize hareket eder; tepeler ve çukurlar öngörülebilir bir düzen izler. Bilim insanları, SPDC ile kuantum korelasyonu üretmek için bu tür faz kararlı alanların şart olduğunu düşünüyordu. Güneş ışığı ise tam tersine “düzensiz”dir: hem uzaysal hem zamansal olarak eşevresizdir, üstelik gökkuşağının tüm renklerini barındırır ve her yöne dağılır.
• Güç yoğunluğu varsayımı: Doğrusal olmayan optik süreçleri verimli çalıştıracak güç yoğunluğuna ancak lazerlerin ulaşabildiği sanılıyordu. Güneş ışığı, lazere kıyasla çok daha zayıf ve dağınıktır.

Ottawa Üniversitesi’nden Prof. Robert Boyd’un ekibi bu varsayımı daha önce de sarsmıştı: Eşevresiz bir ışık kaynağının (örneğin sıradan bir LED’in) bile kutuplanma dolanıklığı üretebileceğini hem teorik olarak öngördüler hem de deneysel olarak kanıtladılar. Yeni çalışma, LED’in yerini bizzat Güneş’in almasıyla bu fikri çok daha zorlu bir seviyeye taşıyor.

İşin sırrı: Düzeni doğru yerde tutmak

Burada işin en zekice kısmı devreye giriyor. Işık tek bir özellikle tanımlanmaz; kutuplanma, yön ve renk gibi farklı “serbestlik dereceleri” vardır. Işık bir serbestlik derecesinde (veya bir boyutta) tamamen düzensizken başka bir boyutta kusursuz bir düzene sahip olabilir.

Çalışma ekibinden Dr. Cheng Li bunu şöyle açıklıyor: “Pompa ışını kusursuz kutuplanmış olduğu sürece, uzaysal ya da zamansal eşevresizliği kutuplanma dolanıklığı üretmeye engel değildir. Güneş ışığını kullanmanın püf noktası, ışığın farklı serbestlik derecelerinin süreç boyunca birbirini etkilemesini önlemek.”

Yani ekip, deney düzeneğini öyle tasarladı ki güneş ışığındaki renk ve yön farklılıkları fotonların kutuplanmasına hiç bulaşmadı. Teorinin öngördüğü gibi dolanıklık yalnızca kutuplanmada barındığı için pompanın yalnızca salınım yönündeki düzenliliği önemliydi, rengi ya da geliş yönü değil.

Ev penceresi büyüklüğünde mercek, cam koni ve saç teli inceliğinde fiber

Teori tamam da pratikte dev bir sorun vardı: Doğrusal olmayan kristal birkaç milimetre boyutunda. Doğada her yöne dağılan güneş ışığını bu minicik hedefe yeterli yoğunlukta ulaştırmak gerekiyordu.

Çözüm, MPL’den Dr. Hanieh Fattahi’nin ekibinin enstitü bünyesinde geliştirip ürettiği güneş yoğunlaştırıcısından geldi. Sistem şöyle çalışıyor:

1. Yaklaşık bir ev penceresi boyutunda, 1,4 metrekarelik toplama alanına sahip bir Fresnel merceği güneş ışığını topluyor. Mercek, güneşi sürekli takip eden motorlu bir düzeneğe monte edilmiş.
2. Merceğin odak noktasına, tamamen camdan yapılmış koni şeklinde bir yoğunlaştırıcı yerleştirilmiş. Odaklanan ışık, koninin içinde tam yansıma yaparak ucuna doğru giderek sıkışıyor.
3. Koninin ucunda ışık, yaklaşık insan saçı kalınlığında çok modlu bir optik fibere aktarılıyor.
4. Fiber, yoğunlaştırılmış güneş ışığını dolanıklık üreten kristale taşıyor.

Açık hava deneyinin kendine özgü zorlukları da vardı: Deney alanı, rüzgâr etkisini azaltmak için koruyucu çitle çevrilmiş; dolanık foton kaynağı ve dedektörler ise karartma çadırının içinde ışık geçirmez bir muhafazaya alınmıştı. Böylece dışarıdan sızan ışığın ölçümleri kirletmesi engellendi.

Sonuçlar: %94 doğruluk ve Bell eşitsizliği ihlali

Açık havada yapılan deneylerde ekip, üretilen kuantum durumunu “kuantum durum tomografisi” yöntemiyle analiz etti. Rakamlar gerçekten etkileyici:

• Bell durumu benzerliği (Bell state fidelity): 0,939 ± 0,027 — yani güneş ışığıyla üretilen dolanıklık, ideal (mükemmel dolanık) duruma yaklaşık %94 oranında benziyor.
• Dolanıklık ölçüsü (concurrence): 0,905 ± 0,053 — 0 hiç dolanıklık yok, 1 ise maksimum dolanıklık demek.
• Saflık (purity): 0,919 ± 0,045 — üretilen durumun gürültüden oldukça arındırılmış olduğunu gösteriyor.
• Bell eşitsizliği ihlali: S = 2,5408 ± 0,2171 — klasik fiziğin açıklayabileceği üst sınır 2. Bu değerin aşılması, gözlenen korelasyonların klasik tesadüflerle açıklanamayacağının, yani gerçek kuantum dolanıklığın kanıtı.

Makalenin vurguladığı önemli bir nokta daha var: Bu değerler, son yıllarda lazerle çalışan SPDC kaynaklarında elde edilen dolanıklık kalitesiyle aynı düzeyde. Üstelik yazarlar, %94’ün güneş ışığından kaynaklanan temel bir sınır olmadığını düşünüyor; girişimölçerdeki optik bileşenlerin yüzeyindeki küçük düzensizlikler gibi giderilebilir teknik etkenler söz konusu. Daha kaliteli optiklerle dolanıklık kalitesi daha da yükselebilir.

Verimlilik tarafında da sürpriz yok: 100 nW pompa gücü başına dakikada yaklaşık 10 foton çifti ölçüldü; bu, ekibin daha önce mavi LED ile yaptığı deneyin (mikrovat başına dakikada 100 sayım) sonuçlarıyla birebir örtüşüyor. Üretim hızı, sürecin etkin bant genişliğine göre normalize edildiğinde ise lazerle karşılaştırılabilir düzeye ulaşıyor. Yani lazerin sanıldığı kadar büyük bir temel avantajı yokmuş.

Bir de işin romantik tarafı var: Bell ihlali 2,49 standart sapmayla elde edilmiş; marjın mütevazı görünmesinin nedeni güneş ışığının kendisi değil. Makale, düşük foton çifti algılama hızının yanı sıra mevsimsel olarak düşük güneş ışınımını ve aralıklı bulut örtüsünü de sınırlayıcı etkenler arasında gösteriyor. Yani ekip bu sonucu Erlangen’in zayıf kış güneşinde, bulutların arasında yakaladı.

“Bize kimse inanmadı”

İşin perde arkası da bir o kadar ilginç. Li, projenin başından beri şüphecilikle karşılaştıklarını anlatıyor: “Fikrimiz defalarca şüpheyle ve itirazla karşılaştı. Alanın dünyaca ünlü bazı araştırmacıları, güneş ışığıyla çalışan doğrusal olmayan optik süreçlerden dolanık foton bir yana, herhangi bir foton bile tespit etmenin mümkün olup olmadığını sorguladı. Ama biz hesaplarımıza güvendik, deney düzeneğini geliştirmeye devam ettik ve sonunda mümkün olduğunu gösterdik.”

Bu buluş ne işe yarayacak?

Hemen yarın güneş enerjili kuantum bilgisayarlarımız olmayacak elbette; bu bir kavram kanıtı (proof of concept) deneyi. Ama kapıları araladığı olasılıklar heyecan verici:

• Kuantum uydular: Uzayda güneş ışığı zaten bol. Uydular, şifreleme anahtarları üretmek için yanlarında lazer ve onun destek donanımını taşımak yerine doğrudan güneş ışığını kullanabilir. Güneş-eşzamanlı yörüngeye yerleştirilen bir uydunun güneş takibi ihtiyacı da büyük ölçüde azalıyor.
• Daha ucuz ve dayanıklı donanım: Doğrudan güneşle optik pompalama, aşırı sıcaklık ve radyasyona dayanacak şekilde tasarlanması gereken pahalı “uzay sınıfı” güneş hücrelerine ve bu ortamlarda ömrü hızla tükenen lazer diyotlara olan ihtiyacı azaltabilir.
• Daha düşük arıza riski: Lazerin gerektirdiği aktif stabilizasyon ve elektrikten ışığa dönüşüm ortadan kalkıyor; yönetilmesi gereken atık ısı da azalıyor. Sistem tamamen elektriksiz değil, güneş takip motorları ve kristalin sıcaklık kontrolü hâlâ elektrik kullanıyor ancak yazarlar, pasif güneş takibi gibi çözümlerle bunun da düşürülebileceğini belirtiyor. Daha az bileşen, daha az bozulma ihtimali demek.
• Türbülansa dayanıklılık: Kısmen eşevresiz ışıkla üretilen dolanık fotonların atmosferik türbülansa karşı daha dirençli olduğuna dair bulgular var; bu da serbest uzay kuantum anahtar dağıtımı için ekstra bir avantaj.
• Geniş spektrum avantajı: Güneş ışığının geniş renk tayfı, lazer kaynaklarının bulunmadığı (veya lazer üretilemeyen) dalga boylarında bile dolanık foton üretimine kapı açıyor; tayf bileşenleri arasındaki düşük eşevrelilik, komşu kanallar arası karışmayı azaltıp bilgi kapasitesini artırabilir.
• Kaynakların kısıtlı olduğu ortamlar: Arktik gibi altyapının zayıf olduğu bölgeler ve derin uzay görevleri, kısacası enerji tasarrufunun kritik olduğu her yer bu yaklaşımdan faydalanabilir. Fattahi’nin deyişiyle güneş ışığı, özellikle uzayda “bol ve güvenilir bir kaynak”.

Sırada ne var?

Ekip şimdi sistemin parlaklığını artırmaya ve dolanıklık kalitesini daha da iyileştirmeye çalışıyor; güneş toplama verimini yükseltmek, faz eşleme bant genişliğini genişletmek ve dalga cephesi bozulmalarını azaltmak gündemdeki başlıca iyileştirmeler.

Boyd ise işin burada bitmediğini vurguluyor: “Bu araştırmanın en güzel yanı, bunun daha sadece bir başlangıç olması. SPDC’nin yanı sıra dolanık foton üretmenin başka doğrusal olmayan optik yolları da var; dört dalga karışımı (four-wave mixing) güzel bir örnek. Bu çalışmanın, doğrusal olmayan ve kuantum optikte pek çok yeni araştırmaya ilham vereceğine inanıyoruz.”

Makalenin atıf yaptığı güncel bir bulgu da bu umudu destekliyor: Kendiliğinden yükseltilmiş emisyonla (eşevresiz bir ışıkla) tetiklenen dört dalga karışımının, eşevreli ışıkla tetiklenenlere kıyasla daha yüksek hızda ve yüksek kalitede dolanık durumlar üretebildiği gösterildi. Görünen o ki “eşevrelilik şart” varsayımı, kuantum optiğin farklı alanlarında da sarsılmaya devam edecek.

Bilim tarihinde sık görüldüğü gibi “imkânsız” denen bir şeyin daha aslında mümkün olduğu ortaya çıktı ve bu kez kahraman, 150 milyon kilometre öteden bedava gelen sıradan bir ışık huzmesi.