Sanal Kuantum Yayınlarının Potansiyeli Üzerine

Bilim insanları yeni bir çalışmada uzun süredir devam eden klonlanamazlık teoremine geçici bir çözüm getiren ve dolayısıyla kuantum bilgisinin iletimi için yeni olanaklar sağlayan “sanal kuantum yayını” kavramını öneriyorlar.

Physical Review Letters dergisinde yayımlanan çalışma, ilişkili kopyaların “sanal olarak” oluşturulmasını sağlayan sanal bir yayın haritası tanımlıyor. Araştırmacılar, zaman içerisinde kuantum durumların bağıntılı kopyalarının üretilmesine olanak tanıyan bu haritanın geçerliliğini dört teoremden oluşan bir set kullanarak ortaya koyuyor. Ayrıca aynı araştırmacılar, temel (kanonik) çerçevenin sağlamlığını göstermekte, bu çerçevenin evrensel klonlayıcıya fiziksel yaklaşımını kanıtlamakta ve haritanın nasıl oluşturulacağını açıklamakta. Sanal kuantum yayını, zamana dayalı bağıntıları kullanarak kuantum bilgi işlemenin çeşitli sektörlerini etkileme potansiyeline sahip, böylece klonlanamazlık teoreminin (İng. No-Cloning) getirdiği kısıtlamaları aşıyor.

Neden kopyala-yapıştır yapamıyoruz?

Kuantum mekaniği son derece güçlü olsa da, bilginin tekrarlanmasını veya kopyalanmasını önlemek üzere tasarlanmıştır. Bir kuantum durumu ölçüldüğünde veya o duruma tanık olunduğunda çöker yani olası ölçüm sonuçlarından sadece birine dönüşür. Böyle bir durumun yeniden oluşturulabilmesi, aynı durumun ölçülmesini gerektirdiğinden mümkün değildir. Bu ilke klonlanamazlık teoremi olarak adlandırılır. Basitçe söylemek gerekirse, kuantum bilgi klasik veri gibi kopyalanıp yapıştırılamaz. Bu kısıtlama, kuantum bilginin verimli bir şekilde iletilmesine ve yeniden üretilmesine dayanan kuantum iletişim sistemleri için ciddi bir zorluk teşkil ediyor.

MIT’den Profesör Arthur Parzygnat, Hainan Üniversitesi’nden Profesör James Fullwood, Nagoya Üniversitesi’nden Profesör Francesco Buscemi ve Hong Kong Üniversitesi’nden Profesör Giulio Chiribella motivasyonları hakkında Phys.org’a konuştu ve klonlanamazlık teoreminin ortaya çıkardığı bu zorluğun onları motive ettiğini ifade ettiler. Amaçları, kuantum durumların zaman içindeki evrimini araştırmak ve “korelasyon, nedensellik anlamına gelmez” sözünün yalnızca kuantum durumları açısından ne anlama geldiğini belirlemekti.

Prof. Parzygnat “Çözümümüz, gerçek fiziksel süreçler olmamakla birlikte kuantum bilgi işlemede çok sayıda uygulamaya sahip olan sanal kuantum yayın kanalları kurmaktı.” diyor.

Klonlanamazlık teoremince engellenen geleneksel kopyalama yöntemlerinin aksine sanal yayın kanalları veya haritalar, sanal olarak çalışır ki bu da doğrudan fiziksel çoğaltma gerektirmedikleri anlamına gelir. Bunun yerine sanal yayın haritası, bir kuantum durumun birden fazla örneği arasında bağıntılar oluşturarak kuantum fiziğinin temel kurallarına bağlı kalarak bilginin gönderilmesine olanak tanır. Bütün bunlar eşliğinde bir sanal yayın haritası eşsizdir ve araştırmacılar tarafından teorem 1’de özetlendiği gibi üç basit varsayımı takip eder. Sanal bir yayın haritasını yöneten belitler şu üç değişimin altında tutarlılığı temin eder;

• Referans çerçevesi
• Alıcı uçlar arasında simetri
• Eşevresizlik tarafından etkilenmemiş klasik bilgiyi kopyalayabilme yeteneği

Bu üçü bir sanal yayın haritasının en temel gereksinimleridir.

Araştırmacılar teorem 2’de böyle bir haritanın fiziksel bir yaklaşımının, evrensel bir klonlayıcı kullanılarak üretilebileceğini göstermektedir. Öyle ki bu klonlayıcı, akla gelebilecek herhangi bir kuantum durumun en sadık kopyalarını üretebilmektedir. Daha sonra teorem 3’te yayın haritasının yapıbozum kullanılarak nasıl elde edilebileceği gösteriliyor:

• Ölç ve hazırla tekniği, sanal bir ölçüm oluşturmak için kuantum sistemi üzerinde bu sanal ölçümün yapılmasını gerektirir.
• Daha sonra bir önceki adımın sanal ölçüm sonuçları o sanal kuantum durumun iki kopyasını oluşturmak için kullanılır.

Son olarak, teorem 4’te bir zaman evrimi fonksiyonunun eyleminin herhangi bir durum üzerindeki sanal yayın haritasının eylemine eşdeğer olduğu gösterilmekte. Bu, sanal yayın haritasının zamansal bir işlem olarak işlev gördüğü ve zaman içinde kuantum durumlarının bağıntılı sanal kopyalarının oluşturulmasına izin verdiği anlamına geliyor. Prof. Buscemi; “Bu çalışmanın en çekici yönü, haritanın basit bir dizi doğal kısıtlama ile ayırt edilmesidir. Bu yüzden ona ‘temel’ diyoruz. Böylesine benzersiz bir özellik, kuantum teorisinin tamamen yeni bir yönüne, yani hala büyük ölçüde bilinmeyen zaman benzeri yapısına yol açıyor gibi görünüyor” şeklinde fikirlerini dile getiriyor.

Bu araştırmalar sayesinde sanal bir kuantum yayın teoremi önerilerek kuantum bilgisayarlar, kuantum bilgi ve kuantum şifreleme için bir dizi yeni olasılığın önü açılmış oldu. Prof. Fullwood “Özellikle ilginç bulduğum ve şu anda Prof. Parzygnat ile birlikte üzerinde çalıştığım metotlardan biri sanal olarak yayınlanmış bir durumun, belirli bir laboratuarda zamansal olarak birbirinden ayrılmış iki ölçümün ölçüm istatistiklerini nasıl kodlayabileceği” olduğunu ifade ediyor.

Bu olgu, tanımlandığı haliyle sanal kuantum yayını durumunun sadece beklenen değerlerini değil, aynı zamanda ortak ölçüm sonuçlarının olasılığını da içerdiği anlamına geliyor. Fullwood, bu durumun, “uzayzamanın uzayın zaman içindeki evrimini kapsama durumuna benzer şekilde”, kuantum bilginin zaman içindeki akışını taklit eden uzam/zamansal bir süreç olarak sanal yayın fikrini desteklediğini belirtiyor. Bilim insanları ayrıca sanal yayının birçok kuantum bilgi sisteminin altında yatan yapıyı gösterdiğini de belirtiyor.

Prof. Chiribella bu durumu kuantum iletişim bağlamında bir örnekle şu şekilde açıklıyor; “Gizli bir dinleme aygıtı, kuantum durumları kopyalamaya çalışarak bir kuantum iletişim kanalına doğal yollardan girebilir. Görünüşe göre, kuantum durumları kopyalamak için kullanabilecek en yaklaşık yöntem, sanal yayınımızın fiziksel bir yaklaşımını uygulamak oluyor.”

Bu anlayış potansiyel gizli dinleme teknikleri ve karşı önlemler hakkında kavrayış sağlayarak kuantum iletişim güvenliğinin geliştirilmesine yardımcı olabilir. Araştırmacılar sanal yayın haritasının mümkün kıldığı -kuantum cihazlardaki hassasiyetin doğrudan ölçümü gibi- daha önce geleneksel olmayan ya da sınırların dışında kabul edilen yeni bir kuantum teorisi alanına girdiğimizi savunuyorlar. Prof. Buscemi, “Belki de birçok temel sorunun cevabı burada bulunabilir.” dedi.