2012 yılı için Nobel Fizik Ödülü kuantum optiğin öncülerine, yeni bilgisayar devrimin yolunu açan kaşiflere Fransız Serge Haroche ve Amerikalı David J. Wineland’a verildi. Bu Nobel Fizik Ödülü iki kaşife eşit olarak paylaştırıldı.
Serge Haroche ve David J. Wineland birbirlerinden bağımsız olarak ayrı parçacıkların kendi kuantum mekaniksel doğalarını koruyarak manipüle edilmesi ve ölçülmesi için daha önce ulaşılmaz olarak görülen deneysel yöntemleri buldular ve geliştirdiler.
Haroche Paris’te “College de France and Ecole Normale Superieure”de profesör olarak çalışırken Wineland Colorado’da Colorado Üniversitesi ve NIST olarak bilinen Ulusal Teknoloji ve Standartlar Enstitüsü’nde fizikçi olarak çalışmalarını gerçekleştirmektedir.
Nobel ödülü sahipleri birbirinden ayrı parçacıkların kendilerini yok etmeksizin (bozulmadan) doğrudan gözlenmesinin geliştirilmesi için kuantum fiziği ile deney yapmanın yeni bir döneminin kapısını açtılar. Işık veya maddenin tek parçacıkları için klasik fiziğin yasaları geçerli değildir ve kuantum fiziği burada devreye girer. Fakat tek parçacıkların onları çevreleyen ortamdan izole edilmeleri kolay değildir ve onlar dış dünya ile etkileştikçe gizemli kuantum özelliklerini kaybederler. Böylece kuantum fiziği tarafından öngörülen bir çok tuhaf fenomen doğrudan gözlenemez olurdu ve araştırmacılar sadece düşünce deneylerini gerçekleştirirlerdi.
Haroche ve Wineland araştırma grupları ile birlikte ustaca geliştirdikleri laboratuvar yöntemleri çok kırılgan kuantum durumları ki bu durumlar önceden doğrudan gözlenmesi yapılamaz olarak düşünülmekteydi, işte bu durumların ölçülmesi ve kontrol edilmesini başardılar. Bu yeni yöntemler bu parçacıkların sayılması, kontrol edilmesi ve araştırılmasına izin vermiştir.
Bu yıl ki Nobel Ödülü’ne sahip olanların geliştirdikleri yöntemleri birbirleri ile ortak çok şeye sahiptir. Örneğin, David Wineland tuzakları elektriksel olarak yüklü atomları veya iyonları fotonlar veya ışık ile ölçülmesi ve kontrol edilmesini sağlar. Serge Haroche ise karşıt bir yaklaşımla tuzaklanan ışığın parçacıkları olarak da söylenebilecek fotonları ölçtü ve kontrol edilmesini sağladı bir tuzak boyunca gönderilen atomlar sayesinde. Birisinde tuzaklanan iyonlar iken diğerinde fotonlardır.
Kuantum optik alanında çalışan her iki ödül sahibi de ışık ve madde arasındaki temel etkileşme üzerine çalışıyorlardı. Kuantum optik, 1980’lerin ortalarından bu yana gelişmekte olan bir alan olarak göze çarpmaktadır. Onların bu önemli yöntemleri kuantum fizik temelli süper hızlı bilgisayarın yeni bir türünün yapılmasına yönelik yapılan ilk adımın olmasının yanı sıra kuantum optik alanında araştırmalar yürütülmesine olanak tanıdı. Belki de kuantum bilgisayar bu yüzyılda bizim günlük yaşamımız değiştirecek ve aynı radikal değişimi geçen yüzyılda klasik bilgisayarlarla görmüştük. Bu araştırma olağanüstü derece hassas saatlerin yapılmasına da yol açacak. Bu da zamanın yeni bir standard üzerine gelecekte temellendirilmesi anlamına gelecek. Günümüz sezyum saatlerinden yüzlerce kez hassas yeni bir zaman standardı fizikçileri bekliyor olacak.
Bir tuzakta tek iyonların kontrol edilmesi
Colorado’da David Wineland’ın laboratuvarında elektriksel olarak yüklü atomlar veya iyonlar elektrik alanlar ile bu atomlarla iyonları çevreleyen bir tuzak içinde tutulurlar. Bu parçacıklar çok çok düşük sıcaklıklarda vakum içindeki deneylerin gerçekleştirildiği ortamda ısı ve radyasyondan izole durumdadırlar.
Bir tuzakta tek iyonların kontrol edilmesinin gösterimi
Wineland’ın bu önemli buluşunun ardında yatan sırlardan biri laser demetlerini kullanma sanatında ustalık ve laser atımların oluşturulması vardır. Bir laser tuzakta iyonun termal hareketini baskılamak için kullanıldı, bu sayede iyonu en düşük enerji durumuna yerleştirilebilir ve tuzaklanan iyonla kuantum fenomenin çalışmasına olanak sağlanabilir. Kullanışlı bir ayarlanmış laser atımı bir süperpozisyon durumunda iyonu yerleştirmede kullanılabilir. Bu süperpozisyon durumu iki ayrık farklı durumların eşzamanlı olarak varolma durumudur. Örneğin, iyon eş zamanlı olarak iki farklı enerji seviyesini işgal etmesi hazırlanabilir. Bu iyon en düşük enerji seviyesinde başlar ve laser atımı daha yüksek bir enerji seviyesine doğru ancak iyonu sadece iki seviye arasında tutacak kadar tepkir, enerji durumlarının bir süperpozisyonunda tabi. İyon enerji durumlarının kuantum süperpozisyonu bu yolla çalışılabilir oldu.
Bir tuzakta tek fotonların kontrol edilmesinin gösterimi
Bir tuzakta tek fotonların kontrol edilmesi
Fransız Serge Haroche ve onun araştırma grubu kuantum dünyanın gizemleri ile ilgili farklı bir yöntem geliştirdiler. Paris’teki laboratuvarlarında mikrodalga fotonların üç santimetre araya sahip iki ayna arasındaki küçük boşluk (kavite) içinde ileri ve geri sıçramasını sağladılar. Aynalar süperiletken malzemeden yapıldı ve mutlak sıfır sıcaklığının biraz üstüne kadar soğutuldular. Böyle süperiletken aynalar dünyanın en parlak aynalarıdır. Bu aynalar oldukça yansıtıcıdır ki tek bir foton kaybolmadan veya emilmeden neredeyse bir saniye içinde boşluk içinde ileri ve geri sıçrayabilir. Bu kaydedilen foton yaşam ömrü fotonun Dünya üzerinde bir yolculuğu için yaklaşık 40 bin kilometreye denk gelir.
Bu yaşam ömrü sırasında, çoğu kuantum manipülasyonları tuzaklanan foton ile gerçekleştirilebilir. Haroche özel hazırlanan atomları kullanır. Bu atomlar Rydberg atomları olarak adlandırılır ve bir boşluk içindeki mikrodalga fotonun ölçülmesi ve kontrol edilmesi için kullanılabilir. Bir Rydberg atomunun yarıçapı yaklaşık 125 nanometre civarındadır ve bu değer tipik atomlardan aşağı yukarı bin kez daha büyüktür. Böylesine büyük biçimli Rydberg atomları kullanışlı olduğu düşünülen bir hızla bir boşluk içine gönderilir ve mikrodalga foton ile etkileşme iyi kontrollü bir şekilde meydana gelir.
Rydberg atomu zikzak hareket eder ve bir boşluk var olur, bu sırada atom boşluğun arkasında mikrodalga foton bırakır. Fakat foton ve atom arasındaki etkileşme atomun kuantum durumunun fazında bir değişime neden olur: eğer siz atomun kuantum durumunu bir dalga olarak düşünürseniz, dalganın tepe ve çukur noktaları kaymış hale gelir. Bu faz kayması atom boşluk/kavite oluşturduğunda ölçülebilir hale gelir., böylece boşluk içinde bir fotonun varlığı veya yokluğu ortaya konabilir. Eğer foton yoksa o zaman faz kayması da olmaz. Haroche böylece bir tek fotonu bozmadan ölçebildi ve hâlâ bu yöntem kullanılmakta, geliştirilmekte.
Haroche ve onun grubu benzer bir yöntemle de boşluk içindeki fotonları sayabiliyor. Bu foton hesaplama yöntemlerin inşa edilmesi, birbirinden ayrı bir kuantum durumun gelişimini takip etmeye yönelik Haroche ve çalışma arkadaşları tarafından bulunan yöntemlerden biridir.
Sonuç olarak, Haroche ve Wineland’ın bu çalışmaları geleceğimizi büyük ölçüde değiştirecek hatta sıfırdan dizayn edecek kuantum bilgisayarların, yeni bilgisayar devrimin önünü açmıştır. Bu sebeple 2012 Nobel Fizik Ödülü’nün sahipleri Haroche ve Wineland olmuştur.
Gökhan Atmaca, MSc – facebook.com/anadoluca | twitter.com/kuarkatmaca
Kaynak:
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2012/press.html
2011 Nobel Fizik Ödülü -> http://www.kuark.org/2011/10/2011-nobel-fizik-odulu-ve-evrenin-kesfi/
2010 Nobel Fizik Ödülü -> http://www.teknoloji.kuark.org/2010/10/05/grafen-ve-2010-nobel-fizik-odulu/
2009 Nobel Fizik Ödülü -> http://www.kuark.org/2011/10/2009-nobel-fizik-odulu-isigin-ustalarina-verildi/
