Daha iyi ölçümler, bilimsel ilerlemeyle ayrılmaz bir şekilde bağlantılıdır. İnsan zekası, 1927’ye kadar bir şeyleri ne kadar kesin olarak ölçebileceğimizi sınırlıyor gibiydi. Daha sonra Werner Heisenberg, bazı eşzamanlı ölçümlerin doğruluğunun kuantum fiziği ile sınırlı olduğunu gösterdi. Örneğin, bir parçacığın konumunu ne kadar iyi tespit ederseniz, momentumu hakkında o kadar az kesin olabilirsiniz.
1980’lerde fizikçiler, kuantum belirsizliği bulutunun etrafında gümüş bir çizgi görmeye başladılar. Kuantum mekaniğinin, kuantum metrolojisi olarak bilinen büyüyen bir disiplinin tezi olan, onu engellemekten ziyade ölçüme yardımcı olmak için kullanılabileceğini öğrendiler. 2019’da yerçekimi dalgası avcıları, LIGO dedektörlerinin hassasiyetini %40 oranında artırmak için kuantum sıkıştırma adı verilen bir kuantum metrolojik tekniği kullandılar. Diğer gruplar, zayıf manyetik alanları tam olarak ölçmek için kuantum dolanıklık fenomenini kullandılar.
Doğruluğu artırmak için kuantum fiziğini kullanmak için en tartışmalı ve kafa karıştırıcı yaklaşımdır. Araştırmacılar bu yöntemi, ilgilendikleri bir sistem hakkında bilgi içeren fotonları veya hafif parçacıkları yakalamak ve bazılarını filtrelemek için kullanırlar; filtrelemeden kurtulan fotonlar bir dedektöre girer. Seçimden sonra yapılan deneyler, son 15 yılda mesafeleri ve açıları son derece hassas bir şekilde ölçmüş ve fotonların reddedilmesinin bir şekilde yardımcı olduğunu ima etmiştir. Toronto Üniversitesi’nde yüksek lisans öğrencisi olan Noah Lupu-Gladstein, “Topluluk, faydasını ve [seçimden sonra] gerçekten kuantum bir olay olup olmadığını tartışmaya devam ediyor” dedi.
Lupu-Gladstein ve ortak yazarları, seçimden sonraki önlemlerdeki avantajın nedenini şimdi belirlediler.
Araştırmacılara göre, yeni bilgi kuantum fiziğinin farklı yönlerini birbirine bağlıyor ve hassas foton dedektörleri kullanan çalışmalarda değerli olabilir.
Araştırmaya katılmayan Fransa’daki Lille Üniversitesi’nden matematiksel bir fizikçi olan Stephan De Bievre’ye göre, çalışma “çok ilgi çekici.” “Bu soyut olumsuzluk kavramını somut bir ölçüm yaklaşımına bağlar.”
Fizikçiler genellikle bir miktarı kesin olarak ölçmek için bir dalganın zirvelerinde bir faz kayması ararlar. Diyelim ki uzay-zamanı çarpıtan geçen bir yerçekimi dalgasının sonucu olarak iki ayna arasındaki mesafenin ne kadar değiştiğini bulmak istiyorlar. Aynalardan ileri geri sıçrayacak bir lazer ışını göndererek başladılar. Bir ayna hareket ettirildiğinde lazer ışığının tepe noktaları kaydırılır; fizikçiler bu faz kaymasını sistemden çıkan ışığı algılayarak değerlendirirler.
Bununla birlikte, ışık sadece toplu olarak bir dalga görevi gören bireysel fotonlardan oluşur. Tespit edilen her foton, ışığın faz kayması (ve dolayısıyla ayna yer değiştirmesi) hakkında eksik bilgi sağlayacaktır. Kesin bir tahmin, çok sayıda bireysel foton ölçümünün ortalamasını gerektirir. Kuantum metrolojisinin amacı, foton başına elde edilen bilgi miktarını artırarak iş yükünü azaltmaktır.
Kuantum fiziğinde bir parçacığı tanımlayan denklemler, nerede olduğunu veya ne kadar hızlı hareket ettiğini belirtmez. Bunun yerine, olası parçacık konumları için bir olasılık dağılımı ve olası momentum değerleri için ikinci bir olasılık dağılımı sağlarlar. Bununla birlikte, Heisenberg’in belirsizlik ilkesinin, konum ve momentumun (ve diğer özellik çiftlerinin) kesin eşzamanlı ölçümlerini yasaklamaktadır.
Bu, klasik olasılık teorisinden farklı olarak, farklı konum ve momentum kombinasyonlarının olasılığını temsil eden “ortak olasılık dağılımını” oluşturmak için iki olasılık dağılımını çarpamayacağınız anlamına gelir. De Bievre, “İki gözlemlenebilirin ortak olasılıklarını tanımlamaya çalıştığınızda sistem patlak veriyor” diye ekledi.
Kuantum olasılıkları ise daha sofistike bir şekilde birleşir. 1933’te Amerikalı fizikçi John Kirkwood ve 1945’te İngiliz fizikçi Paul Dirac tarafından bağımsız olarak geliştirilen bir yöntem, olasılıkların pozitif tamsayılar olması gerektiği normunu kırarak kuantum özelliklerinin çeşitli kombinasyonlarının olasılığını belirler. Sanki bazı özellik kombinasyonlarının Kirkwood-Dirac “quasiprobability” dağılımında olumsuz bir oluşma şansı varmış gibi.
Kirkwood-Dirac dağılımı 2020 yılında Cambridge Üniversitesi’nden David Arvidsson-Shukur, Maryland Üniversitesi’nden Nicole Yunger Halpern ve diğer dört teorisyen tarafından geliştirilmiştir. Bu, seçim sonrası süreçte kuantum avantajının nasıl ortaya çıkabileceğini araştırmalarına izin verdi.
Arvidsson-Shukur ve Yunger Halpern daha sonra yaklaşımlarını daha da geliştirmek için Toronto merkezli deneycilerle işbirliği yaptı. Kirkwood-Dirac dağılımının olumsuzluğu ile yeni çalışmalarında seçim sonrası deneylerde tespit edilen foton başına alınan bilgiler arasında nicel bir ilişki buldular. Seçimin negatif olmadan işe yaramadığını gösterdiler — yani gözlemlenen foton özellikleri belirsizlik ilkesi ile bağlantılı olmadığında ve Kirkwood-Dirac dağılımları pozitif kaldığında. Bununla birlikte, çok fazla olumsuzluk olduğunda, bilgi miktarı artmaktadır.
Ne kadar küçük olursa olsun, herhangi bir faz değişikliğini teorik olarak yalnızca bir seçilmiş fotonla çözebilirsiniz.
Bir deneyde, araştırmacılar ince bir kuvars levhadan bir lazer ateşlediler ve fotonların polarizasyonunu levhanın açısına dayalı bir faktörle döndürdüler. Amaç bu açıyı tam olarak hesaplamaktı. Fotonlar polarizasyona duyarlı optik bileşenler kullanılarak filtrelendi ve bu bileşenler polarizasyonlarına bağlı olarak bir detektörün içine veya dışına yönlendirildi.
Belirsizlik ilkesi, farklı polarizasyon yönlerini birbirine bağlar: bir fotonun x ekseni boyunca ne kadar polarize olduğunu ne kadar kesin olarak ölçerseniz, örneğin y ekseni boyunca polarizasyonundan o kadar az emin olabilirsiniz.
Ölçümdeki belirsizlik düzeyi ve dolayısıyla Kirkwood-Dirac dağılımının negatifi, optik bileşenlerin eksenleri birbirine göre hareket ettirilerek değiştirilebilir. Seçildikten sonra fotonlar da rotasyonlardan etkilendi.
Tespit edilen her fotondan elde edilen levhanın açısına ilişkin bilgilerin, hipotezlerinin öngördüğü gibi, deneyi birçok farklı konfigürasyonda tekrarlayarak, negatif dereceyle doğrusal olarak büyüdüğünü gösterdiler.
Olumsuzluk en üst düzeye çıkarıldığında bireysel fotonlar daha bilgilendiricidir, ancak daha az foton seçildikten sonra. Bir fotonun seçimden sonra hayatta kalma olasılığı, Kirkwood-Dirac dağılımının elemanlarının toplamı ile belirlenir; önemli olumsuzluklara sahip bir dağılımda, negatif ve pozitif kuasiprobabiliteler esasen iptal edilir ve az sayıda foton dedektöre ulaşır. Seçim sonrası, tespit edilen foton başına daha yüksek bilgi ile bu tür fotonların daha azı arasındaki uzlaşma nedeniyle bir deneyde tüm fotonlar tarafından taşınan toplam bilgi miktarını iyileştirmez. Lupu-Gladstein, “Ücretsiz bir öğle yemeği almıyoruz” dedi, “ancak ödediğimiz yiyecekleri alıyoruz.”
Öyle olsa bile, bazı araştırmalarda, gerekli tüm bilgileri birkaç fotona yoğunlaştırmak için seçimden sonra kullanmak faydalı olabilir. Aynı anda çok fazla fotona maruz kaldığında, en gelişmiş dedektörler bile bunalmış olabilir. Seçim sonrası, bu dedektörlerin üstesinden gelebilecekleri düşük ışıkla başa çıkmalarına yardımcı olabilir.
Oregon Üniversitesi’nden kuantum fizikçisi Michael Raymer’e göre, “Çalışma optik ölçümlerin duyarlılığı hakkında yeni bilgiler sunuyor”. Bununla birlikte, seçimin yararının kökenini açıklamanın çeşitli yolları olabileceği konusunda uyarıyor.
Kirkwood-Dirac olumsuzluğu, Yunger Halpern ve diğer teorisyenlerin yakın zamanda gösterdiği gibi, kuantum termodinamiği ve kara deliklerde hızlı bilgi karışması gibi metroloji dışındaki durumlarda kuantum davranışının da temelini oluşturur. Uzmanlara göre, bu sektörlerdeki köprüler yeni keşiflere veya metrolojik faydalara yol açabilir.
Lupu-Gladstein, “Bu çalışma için temel hedeflerimden biri, şimdi kara delikleri araştıranların metroloji hakkında bir şey söylemeleri için ağ geçitlerini açması” dedi.
Kaynak: Quanta Magazine – Ben Brubaker
