Kuantum Işınlanmasında Çığır Açan Başarı ve Kuantum İletişim Gelişmeleri

Kuantum Işınlanmasında Çığır Açan Başarı

Northwestern Üniversitesi mühendisleri, mevcut internet trafiğini taşıyan bir fiberoptik kablo üzerinden kuantum ışınlanmasını başarıyla gerçekleştiren ilk ekip olmayı başardı. Bu olağanüstü başarı, bilgiyi herhangi bir mesafeye anında ışınlamanın pratik bir yolunun bulunduğunu gösteriyor. Kuantum ışınlanmasının mevcut internet kablolarıyla başarıyla gerçekleştirilmesi, gelecekte son derece hızlı ve yenilikçi bir iletişim biçiminin kullanımına sunulabileceği ihtimalini gündeme getiriyor. Işınlanma kavramı, genellikle bilim kurguda insanların ışık hızıyla herhangi bir yere seyahat edebilme yeteneği olarak işleniyor. Ancak bu teknolojinin canlılar veya insan boyutundaki nesneler için uygulanabilirliği henüz kanıtlanmış değil. Yine de bilgiyi bu yöntemle ışınlamanın mümkün olduğu kabul ediliyor ve bilim insanları uzun süredir bunu geniş ölçekte kullanılabilir bir teknolojiye dönüştürmek için çalışıyor.

Kuantum Dolanıklık Nedir?

Kuantum ışınlanması, kuantum dolanıklık olarak bilinen bir olguya dayanıyor. İki veya daha fazla parçacığın kuantum durumlarının birbirine bağlı hale gelmesi ve birinin durumu ölçüldüğünde diğerinin durumunun mesafeden bağımsız olarak anında belirlenmesine “dolanıklık” adı veriliyor. Bu olgunun daha iyi anlaşılması için sıkça başvurulan bir düşünce deneyine göz atabiliriz: Hayali bir deneyde, bir kutunun içinde biri kırmızı, diğeri mavi olmak üzere iki eldiven bulunmaktadır ve bunlar farklı yerlere gönderilir. Eğer bir kutuyu açıp kırmızı eldiveni bulursanız, diğer kutudaki eldivenin mavi olduğu hemen anlaşılır. Kuantum dolanıklığında ise durum farklıdır; eldivenler kutular açılana kadar bir renk seçmemiştir. Onlar, kırmızı ve mavi olma olasılıklarını taşıyan süperpozisyon halindedir. Siz bir kutuyu açıp rengi gördüğünüz anda, diğer kutudaki eldivenin rengi de belirlenmiş olur. Kuantum dolanıklık olgusunda iki parçacık, birbirlerinden ne kadar uzakta olurlarsa olsunlar birbirine bağlıdır ve bilgi alışverişi için aralarındaki fiziksel mesafeyi kat etmeleri gerekmez.

Yoğun Bir Otoyoldaki Bisiklet Gibi

Klasik iletişim yöntemleri, milyonlarca ışık parçacığından oluşan bir sistemle çalışır. Ancak kuantum iletişiminde yalnızca bir çift foton (ışık parçacıkları) kullanılır. Önceden araştırmacılar, bu bireysel fotonların klasik iletişim parçacıklarının kullandığı ‘yoğun otoyoldan’ geçemeyeceğini düşünüyordu. Bir çift foton, bu yoğun yolda, sanki yer altı geçidinde devasa kamyonların etrafından dolaşmaya çalışan bir bisiklete benzetiliyor. Ancak Northwestern Üniversitesi araştırmacıları, bu hassas fotonların yoğun trafikten uzak durmasına yardımcı olacak bir yol buldu. Işığın fiberoptik kablolar içindeki dağılımını derinlemesine inceleyen araştırmacılar, fotonları yerleştirebilecekleri daha tenha bir ışık dalga boyu tespit ettiler. Bu dalga boyu, diğer sinyallerden daha az parazit alıyor ve fotonların geçmesini kolaylaştırıyordu. Fotonu bu dalga boyuna yerleştiren ekip, düzenli internet trafiğinden kaynaklanan gürültüyü azaltmak için özel filtreler ekledi.

Kimse Bunun Mümkün Olduğunu Düşünmüyordu

Çalışmaya liderlik eden Northwestern Üniversitesi’nden Prem Kumar ve ekibi, buldukları yeni yöntemi test etmek için her iki ucunda dolanık bir foton bulunan 30 kilometre uzunluğunda bir fiberoptik kablo kurdular. Ardından, eş zamanlı olarak kuantum bilgisi ve düzenli internet trafiğini kablo üzerinden göndermeyi başardılar. Ekip, ışınlanma protokolünü yürütürken alıcı uçtaki kuantum bilgisinin kalitesini, orta noktada kuantum ölçümleri yaparak belirlemeye çalıştı. Sonunda, yoğun internet trafiği hızla geçerken bile kuantum bilgisinin başarıyla iletildiği tespit edildi. Kumar, bu deneylerin daha uzun mesafelerde yeniden gerçekleştirilmesini planlıyor. “Bu inanılmaz derecede heyecan verici çünkü kimse bunun mümkün olduğunu düşünmüyordu,” dedi. “Çalışmamız, birleşik bir fiberoptik altyapıyı paylaşan yeni nesil kuantum ve klasik ağlara giden bir yol gösteriyor. Kuantum iletişimini bir sonraki seviyeye taşımak için kapıyı aralıyor.”

Kuantum İletişimdeki İlerlemeler

Çinli bilim insanlarının öncülüğündeki bir uluslararası araştırma ekibi, Çin ile Güney Afrika arasında uydu aracılığıyla 12 bin 900 kilometre mesafeden kuantum iletişimini gerçekleştirerek bu alanda rekor kırdı. Xinhua ajansının haberine göre, Çin Teknoloji ve Bilim Üniversitesinden araştırmacılar, sonuçları Nature dergisinde yayımlanan deneyde, Jinan-1 teknoloji test uydusunu kullanarak Çin’deki yer istasyonundan Güney Afrika’daki yer istasyonuna gerçek zamanlı kuantum anahtar dağıtımı (QKD) yapmayı başardı. Şifrelenmiş sinyalleri 12 bin 900 kilometre uzağa aktaran araştırmacılar, dünyanın en uzun mesafeli güvenli kuantum iletişimini gerçekleştirmiştir. Deney, küresel ölçekte güvenli kuantum iletişimi potansiyelini göstermesi bakımından büyük bir adım olarak değerlendiriliyor. Çin Teknoloji ve Bilim Üniversitesinden araştırmacılar, 2022’de 833 kilometrelik fiber optik kablo üzerinde kuantum anahtar dağıtımını gerçekleştirerek bu alanda bir başka rekor kırmıştı.

Kuantum İnternetin Gelişimi

Kanadalı ve Çinli bilim adamları, fiber optik ağda bir yerden diğerine bilgiyi fiziksel herhangi bir şey üzerine yüklemeden aktarmayı başardı. Sonuçları Nature Photonics dergisinde yayımlanan araştırmalarda, iki farklı ekip, iki şehirde fiber optik ağda kilometrelerce uzağa bilgi ışınladı. Bilginin, “Uzay Yolu” film serisinde izlenenden farklı bir teknikle ışınlandığı, araştırmalarda kullanılan düzeneklerin, gelecekteki kuantum internetinin yapı taşlarından biri olarak görülebileceği ifade edildi. Kanadalı bilim adamı Wolfgang Tittel ve meslektaşlarının araştırmasında, bir fotonun kuantum hali, Calgary kentinde 8,2 kilometre uzağa ışınlandı. Diğer araştırmada ise Çin Teknoloji ve Bilim Üniversitesinden Çiang Cang ve Cian-Vey Pan, Hıfey kentinde 30 kilometrelik fiber optik ağda bilgi ışınlamak için farklı bir düzenek kullandı. Uzak mesafeler arasında ışınlamanın, kuantum kriptografinin sunduğu son derece güvenli iletişime yönelik önemli bir adım olduğu vurgulanıyor.

Kuantum Dolanıklık Fenomeni

“Livescience.com” internet sitesinde yer alan habere göre, İspanya’daki Foton Bilimi Enstitüsünden (ICFO) araştırmacılar, deney için küçük bir cam tüp içinde buharlaştırılmış rubidiyum ile durağan haldeki nitrojeni 177 dereceye kadar ısıttı. Araştırmacılar, tüp içinde ışık-atom etkileşimlerini ölçerek rubidyum gaz bulutlarında kaotik halde dolaşan atomların dönüş ve birbirine bağlanma hareketlerini inceledi. Bilim insanları, bu sıcak ve kaotik karışım içinde saniyenin binde biri süre içinde, kuantum dolanıklığının gözlenebileceği, atomların çarpışmalarla birbirine aktarılan dönüşlerinin sıfır toplamlı olduğu makroskopik dönüş hali yaratmayı başardı. Deneyde, atomların etkileştiği sıcak karışım içinde, saniyenin binde biri kadar sürede 15 trilyon atom birbirine bağlandı. Araştırmaya önderlik eden Çinli araştırmacı Jia Kong, dolanıklık fenomeninin kuantum teknolojilerinin en ilginç yönlerinden biri olduğunu belirterek, “Dolanıklıkla bağlantılı kuantum teknolojileri bugüne kadar yalnızca düşük sıcaklık ortamında uygulanıyordu. Bu durum, dolanıklık hallerinin teknolojiye uyarlanmasını olanaksız kılıyordu. Bu yüzden dolanıklığın sıcak ve kaotik ortamda istikrarlı şekilde yaratılıp yaratılamayacağı ilginç bir soruydu. Çalışmamız, dolanıklığın sıcak ve kaotik ortamın tesadüfi müdahaleleri tarafından bozulmadan gerçekleşebildiğini gösterdi.” değerlendirmesinde bulundu. Araştırmanın sonuçları “Nature” dergisinde yayımlandı.

Kuantum Bilişimdeki Yenilikler

Çinli kuantum fizikçileri Pan Cienvey, Cu Şiaobo, Pıng Çıngcı, “Zuchongzi 3.0” adını verdikleri yeni prototipin işlem kabiliyetine ilişkin sonuçları, “Physical Review Letters” dergisinde yayımladı. Yeni prototipin, 105 kuantum bit (kübit) ve 182 bağlaştırıcı ile işlem yaparak, rastlantısal kuantum döngüsü örnekleme görevlerini, en gelişmiş süper bilgisayarlardan katrilyon kez daha hızlı gerçekleştirdiği belirtildi. Ayrıca, yeni prototipin, ABD’li teknoloji şirketi Google’ın geliştirdiği “Sycamore” prototipinin, en son Ekim 2024’te “Nature” dergisinde yayımladığı performans sonuçlarından 1 milyon kat daha hızlı olduğu kaydedildi. “Kuantum üstünlüğü” olarak da bilinen bu avantaj, kuantum bilgisayarların belirli görevlerde klasik süper bilgisayarlardan daha yüksek performans göstermesini ifade ediyor. Kuantum üstünlüğü, kuantum bilişimi ile uygulamalar geliştirmeye yönelik çabaları meşru kılmanın yanı sıra bir ülkenin kuantum araştırmaları alanındaki gücünü de ortaya koyuyor.

ABD ve Çin Arasındaki Rekabet

ABD ve Çin, hala kuantum bilişimi araştırmalarında öncü konumda bulunuyor. ABD, 2019’da “Sycamore”, Çin ise 2020’de “Jiuzhang” kuantum prototipleriyle “kuantum üstünlüğüne” ulaşmayı başarmıştı. Çinli araştırmacılar, 2021’de 66 kübitlik “Zuchongzhi 2.1” kuantum bilgisayarı prototipini geliştirmişti. Uzmanlar, “Zuchongzhi 3.0″ün işlem kapasitesi bakımından önceki prototipte önemli bir ilerleme sağladığını vurguluyor.

NATO’dan Kuantum Stratejisi

NATO’dan yapılan açıklamada, kuantum teknolojilerinin inovasyon dünyasında “devrim” niteliğinde değişiklikler yaratma potansiyeline dikkat çekilerek, bu teknolojilerin “oyunun kurallarını” değiştirebileceği vurgulandı. Stratejinin, NATO’yu bu değişiklikler ve kuantum çağına hazırlarken, aynı zamanda ittifakın savunma ve güvenliğini geliştirmeyi amaçladığı belirtildi. Kuantum teknolojisinin savunma ve güvenlik üzerindeki etkileri nedeniyle NATO için “en öncelikli” alanlardan biri olduğu vurgulanırken, plan ile NATO’nun kuantum teknolojilerinin olası kötüye kullanımına karşı kendini koruyacak bir konumda olması hedefleniyor. Bu strateji, kuantumun algılama, görüntüleme, hassas konumlandırma, navigasyon ve zamanlama gibi alanlarda savunma ve güvenliğe nasıl uygulanabileceğini, denizaltıların tespitini nasıl iyileştirebileceğini ve kuantuma dayanıklı kriptografi kullanarak veri iletişiminin nasıl geliştirileceğini ana hatlarıyla ortaya koyuyor.