Harvard Üniversitesi araştırmacıları, kuantum dolaşıklık ve kuantum bellek kullanarak 1,55 km ayrılıktaki iki dedektörden gelen optik sinyallerin girişim desenini ölçmeyi başardı. Bu teknik, gelecekteki astronomi gözlemevlerinin çözünürlük sınırlarını zorlayabilir.
Astronomide teleskop ne kadar büyük olursa, elde edilen görüntü o kadar keskin olur. Ancak büyük teleskop aynaları kendi ağırlıkları altında deformasyona uğrayabileceği için fiziksel boyutun pratik bir üst sınırı bulunur. Gök bilimciler bu sınırı, girişimölçer (interferometre) tekniğiyle aşar: birden fazla teleskoptan toplanan ışık birleştirilerek tek bir görüntü oluşturulur.
Radyo dalga boylarında bu yöntem büyük başarı sağlamıştır. Örneğin Event Horizon Telescope (EHT) İş Birliği, 2017 yılında beş kıtaya yayılmış sekiz gözlemevinden toplanan sinyalleri birleştirerek Dünya büyüklüğünde sanal bir radyo alıcısı oluşturmuş ve 55 milyon ışık yılı uzaktaki bir kara deliğin ilk görüntüsünü elde etmiştir.
Ne var ki optik ışıkla uzun taban çizgili (long-baseline) girişimölçer yapmak çok daha zordur. Optik fotonların salınım frekansı radyo fotonlarına kıyasla çok yüksek olduğu için iki optik sinyalin algılanması ve birleştirilmesi sınırlı seçeneklere sahiptir. Şu anki en büyük optik girişimölçer olan CHARA, Kaliforniya’daki bir dağda konuşlanmış altı teleskoptan oluşur ve etkin taban çizgisi 330 metredir.
Kuantum Bellekler Nasıl Çalışır?
Harvard Üniversitesi ekibi, kuantum bellek adı verilen iki kübitlik kuantum bilgisayarlar yardımıyla optik girişimölçerin taban çizgisini genişletmeyi araştırıyor. Ekibin üyesi Maxim Sirotin, 1,55 km optik fiberle ayrılmış iki konumda algılanan optik fotonlardan bir girişim deseni oluşturduklarını duyurdu. Bu mesafe, CHARA’nın taban çizgisinin yaklaşık beş katına karşılık geliyor.
Deneyde gerçek yıldız ışığı yerine uzaktaki bir kaynağı taklit eden zayıf lazer ışığı kullanıldı. Her iki teleskop da aynı binada, birbirinden 6 metre uzaklıkta iki laboratuvarda bulunuyor; ancak 1,5 kilometrelik makaraya sarılmış fiberle birbirine bağlanıyor.
Her teleskopun kuantum belleği, nanometre ölçeğinde bir boşluğa sahip elmas bir çipten oluşuyor. Elmas içinde, iki karbon atomunun bir silisyum atomu ve bir boşlukla değiştirilmesiyle oluşturulmuş silisyum boşluğu (silicon vacancy) adı verilen bir kusur bulunuyor. Bu kusurdaki bir elektron spini ve bir nükleer spin, kuantum bilgisini depolamak ve işlemek için birer kübit görevi görüyor. Her gözlem öncesinde araştırmacılar, nükleer spinleri ışık sinyalleriyle dolaştırıyor.
Kuantum Işınlama ile Girişim Deseni Oluşturma
Zayıf lazer kaynağından gelen bir foton, ilk kuantum bellekteki bir elektronla etkileşime giriyor. Bu elektron spini, silisyumun nükleer spiniyle etkileşerek gelen fotonun kuantum bilgisini nükleer spine “kaydediyor”. Bu nükleer spin, ikinci kuantum bellekteki nükleer spinle dolaşık olduğu için, araştırmacılar elektron ve nükleer spinler üzerinde belirli ölçümler yaparak fotonun durumunu ikinci kuantum bellekte yeniden üretebiliyor. Bu işlem, kuantum ışınlama (quantum teleportation) olarak biliniyor. Böylece iki teleskoptaki foton sinyalleri fiziksel olarak bir araya getirilmeden birleştirilip girişim deseni elde edilebiliyor.
Kuantum yöntemi, bilginin “yerel olmayan” (nonlocal) aktarımı sayesinde, her teleskoptan merkezi bir girişimölçere ışık göndermenin yol açtığı foton kaybını ortadan kaldırıyor. Geleneksel yöntemde sinyal mesafesi arttıkça foton kaybı da artar ve girişim deseni bozulur. Kuantum ışınlamalı girişim deseni ise mesafeyle bozulmuyor.
Astronomiye Potansiyel Katkılar ve Gelecek Adımlar
Oregon Üniversitesi’nden Brian Smith (çalışmaya dahil değil), kuantum destekli astronomi alanındaki çabaların en az 15 yıl önce başladığını ve büyük ilerleme kaydedildiğini belirtiyor. Smith’in ekibi üç yıl önce kuantum bellek kullanmadan kuantum destekli girişimölçer yöntemini göstermişti. Kuantum belleklerin kullanılması, daha geniş bir zaman penceresinde gelen fotonlar arasında girişim gözlemlemeyi mümkün kıldığı için önemli bir adım olarak değerlendiriliyor.
Lukin’in laboratuvarı, NASA ile birlikte, James Webb Uzay Teleskobu’nun (JWST) ardından planlanan Yaşanabilir Dünyalar Gözlemevi’ne (Habitable Worlds Observatory) kuantum yöntemlerin nasıl entegre edilebileceğini araştırıyor. Goddard Uzay Uçuş Merkezi’nden Babak Saif, “Küçük bir teleskobun performansını büyük bir teleskop gibi davranacak şekilde artırmak istiyoruz” diyor. Bu yaklaşım, teleskobun fiziksel boyutunu küçülterek görev maliyetinden milyarlarca dolar tasarruf sağlayabilir.
Smith, önümüzdeki on yılda LIGO benzeri ölçekte kuantum destekli optik teleskop tesislerinin kurulması potansiyelinin değerlendirildiğini söylüyor. Bunun için öncelikle çok daha yüksek oranda foton toplanması gerekiyor ki bu da her konumda en az iki düzine kuantum belleğe ölçeklenmeyi zorunlu kılıyor. Ayrıca bellekleri uzun mesafelerde birbirine bağlayacak kuantum ağların kararlılığının artırılması gerekiyor. Smith, “Temel testlerin henüz başındayız. Zaman ve yatırım gerekecek” ifadelerini kullanıyor.
Kaynak: APS Global Physics Summit 2025 sunumu ve hakemli dergilerde yayımlanan teknik makaleler (Lukin, Sirotin ve ark.)
Haber Derleyen ve Sunan: Hasan Ongan
