Kuantum optiği ışığın kuantası (küçük eneri parçacıkları) yani fotonların atomlar ve moleküller ile dolayısıyla madde ile nasıl etkileştiğini inceleyen kuantum fiziği ile ilgili bir bilim dalıdır. Aynı zamanda birbirinden ayrı her bir fotonun bu şekilde incelenmesi elektromanyetik dalgaların davranışının anlaşılması için de kritik bir öneme sahiptir. Bu incelemeler dolanıklık ve ışınlanma gibi kuantum mekaniğinin klasik fizikten ileri gelen sezgilerimize zıt olan öngörülerinin test edilmesi için kullanılmıştır. Bunun dışında, fotonlar kuantum bilgi işleme için de yararlı bir kaynaktır.
Kuantum optiği olarak bilinen yeni fizik disiplinin doğuşu laserin icat edilişi ve fotodedektörlerin fabrikasyonunda gerçekleştirilen iyileştirmelerle gelmiştir. Zamanla ışık ve fotonları merkezine alan deneyler ışığın spesifik kuantum özelliklerini ortaya çıkarmıştır. Bugün en yaygın yapılan deneylerin başında dolanık durumlarda üretilen foton çiftleri vardır.
Kuantum herhangi başka bir nicelik ile etkileşebilen bir fiziksel niceliğin en küçük miktarını belirtir. Optik ise ışığın özellikleri ve davranışı üzerine yapılan çalışmaları tanımlar. Fotonlar ışığın en küçük parçacıkları olarak hem kuantum fiziğinin hem de optiğin başlıca çalışma alanlarından birini oluşturur. Bilindiği üzere, kuantum fiziğinin getirdiği yaklaşımlar, fotonların hem parçacık hem de dalga olarak davranabildiğini göstermiştir. Hatta bu dalga-parçacık ikiliği üzerine yayınlanan ilk çalışmalar üzerine kuantum optiği inşa edilmiştir.
Işığın üzerine yapılan çalışmalar oldukça eskilere dayansa da Newton’ın ışığın parçacık gibi davrandığı ve Huygens’ın dalga özelliklerine vurgu yapmasından sonra Maxwell’in o harika denklemlerinde ışığı elektromanyetiğin özel bir formu olarak göstermesi ile ilerleyen çalışmalar karacisim ışıması problemi ile taçlanmıştı. Max Planck sabit bir sıcaklıkta tutulan ve üzerine gelen ışınları soğuran bir cismin üzerindeki ufacık bir delikten yayılan ışımanın ölçülen spektral özelliklerinin anlaşılması üzerine kurulan kara cisim ışıması problemine getirdiği çözüm fizikte bir devrime yol açmıştı. Böyle bir cisimden yayılan ışımanın özellikleri teorik olarak anlaşılır değildi, getirilen klasik yaklaşımlarda ışımanın dalgaboyu ve şiddeti arasındaki ilişki incelenirken yüksek dalgaboylarında deneysel sonuçlarla uyumlu hesaplamalar yapılabiliyordu ama bu hesaplamalar düşük dalgaboylarında deneyden, gerçekten çok uzak sonuçlara sahipti. Planck o dönem için anlaşılması zor ama deneysel gözlemleri en iyi şekilde açıklamaya yarayacak bir fikir ile muazzam bir bilim dalının doğuşuna yol açtı. Max Planck ışığın sürekli olmadığını ve kuanta adı verilen küçük enerji paketlerinden oluşması durumunda bu problemin çözülebileceğini gösterdi. Bu “ışığın kuantum hipotezi” 1905 yılında Albert Einstein tarafından “fotoelektrik etki“nin kendine has özelliklerinin açıklanmasında kullanıldı ve Einstein ışığın Planck sabiti ve ışığın frekansının çarpımı ile verilen bir enerji kuantasına sahip olduğunu ileri sürdü. Fotoelektrik etki ile birlikte ışığın bu şaşırtıcı doğası bir bir çözülürken hâlâ eski bir soru gündemdeydi: Işık parçacıklardan mı yoksa dalgalardan mı oluşuyor?
Işık kuantası daha sonraları bilim insanları tarafından fotonlar olarak adlandırılırken bunların bir parçacıktan veya bir dalgadan meydana gelip gelmediği tartışmalıydı. Çünkü ışık bir taraftan girişim ve kırınım gibi optik olaylarda dalga gibi davranırken diğer taraftan da kara cisim ışıması, fotoelektrik olayda parçacık özelliklerine sahipti. Sonunda bu tartışma, Louis de Broglie’nin 1923 yılında tamamladığı doktora tezi ile bir nihayete eriyor ve madde ışık arasındaki ilişki (dalga-parçacık ikiliği) gün yüzüne çıkıyordu. Işığın bir parçacık gibi momentuma ve bir dalga gibi dalgaboyuna sahip olduğu lambda=h/p bağıntısı ile gösterilmiş ve sonra Davisson-Germen deneyi bunu doğrulamıştı.
Kuantum optiği elektromanyetik ışımanın aynı anda hem dalga hem de parçacık formunda hareket ettiğini salık veren bu dalga-parçacık ikiliği olgusu ile sıkı bir ilişki içindedir. Bu ilişkide en çok kullanılan şey belirli bir zamanda belirli bir yerde parçacıkların bulunma olasılığını belirleyen kuantum dalga fonksiyonudur. Bununla ilgili detaylı açıklamaları Kuantum Dalga Fonksiyonu ve Fiziksel Yorumu başlıklı yazımızda bulabilirsiniz.
Kuantum fiziği fotonların ve maddenin nasıl etkileştiği ve nasıl bir ilişkiye sahip olduklarına dair anlayışımızın gelişmesiyle birlikte giderek evrildi. Bu uğraşların sonucunda 1953 yılında atomların dışarıdan uyarılmasıyla mikrodalga dalgaboyunda ışık yayan bir aygıt olarak maser icat edildi ve 1960 yılında tüm fotonların aynı frekans ve fazda olduğu (eşevreli) bir ışık demeti oluşturan ve yayan aygıt olan laser geliştirildi. Bu aygıtlarda ışığın kullanımı daha önemli hâle geldikçe, kuantum optiği özel bir çalışma alanı, bir fizik disiplini olarak daha yaygın bir şekilde kullanılan bir terim olmaya başladı.
Kuantum elektrodinamiğinden gelen bulguları göz önüne alarak, kuantum optiğini alan operatörleri tarafından tanımlanan fotonların yaratılması ve yok oluşu formunda yorumlamak da mümkündür. Bu yaklaşım ışığın davranışını analiz etmede yararlı olan belirli istatiksel yaklaşımların kullanılmasına izin verir.
Kuantum ışınlanmadan uydu temelli kuantum haberleşmeye kuantum optik bir çok uygulama alanına sahiptir.
Kuantum Optik Uygulama Alanları
Laserler ve maserler kuantum optiğin en belirgin uygulamasıdır. Bu aygıtlardan yayılan ışık eşevreli durumdadır ve böylece ışık, klasik bir sinüzoidal dalgayı andırır. Bu eşevreli durumda, kuantum dalga fonksiyonu eşit olarak dağıtılır. Bu nedenle, bir laserden yayılan ışık yüksek oranda düzenli ve genel olarak aynı enerji durumundadır, dolayısıyla aynı frekans ve dalgaboyuna sahiptir.
Işık kuantum optik sayesinde günümüzde yeni teknolojilerin gelişmesinde merkezi bir rol oynamaktadır. Bu teknolojiler sadece fotonik temelli değil aynı zamanda kuantum bilgiye dayalı teknolojileri de içermektedir. Güvenli haberleşme, kuantum algılama (metroloji ve görüntüleme), kuantum simülasyon ve kuantum hesaplamaları içeren bu teknolojiler ışığın doğasına dair anlayışımızın kuantum optik ile geliştirilmesine bağlı olarak kuantum mekaniğin ilkelerine dayanmaktadır. Işığın bu teknolojilerde merkezi bir role sahip olması kuantum bilginin iletimi için ideal bir ortam olmasından ileri gelmektedir. Hatta teoride tümüyle bir fotonik kuantum bilgisayarın gerçekleştirilmesi mümkündür. Oxford Üniversitesi’nden fizikçi Ian Walmsley’in Science dergisinde yayınladığı “Quantum optics: Science and technology in a new light” başlıklı makalede, bu yeni kuantum teknolojileri arasında en basit örnekleri arasında kauntum rastgele sayı üreteci (İng. QRNG) geliyor. Bu üreteç kuantum mekaniği yasalarının belirli koşulları ile faranti edilen rastgele bir dizi rakam sağlar. Bu üretecin en basit örneği tek bir fotonun sadece tek bir dedektörde gözlenmesi üzerine kurulu olanıdır. Foton bir beamsplitter denilen demet dağıtıcıya geldiğinde, bu dağıtıcıya bakan iki dedektörden sadece biri çalışır. Bu tamamen rastgele gerçekleşecektir. Çünkü kuantum fiziği fotonun hangi dedektöre gideceğini tahmin etmemize izin vermez. Bu ilke de ticari aygıtların kalbinde yer almaktadır. PIN numaralarının üretilmesinde, Monte Carlo simülasyonlarında ve piyangolarda uygulama alanlarına sahiptir.
Kuantum optiğin bir başka uygulama alanı ise kuantum haberleşmedir. Kuantum haberleşme kuantum bilgi işleme ve kuantum ışınlanma ile doğrudan ilişkili olan uygulamalı bir kuantum fiziği alanıdır. Kuantum haberleşmenin en ilgi çekici uygulaması ise iki haberleşme kanalı arasındaki bilgi alışverişinin kuantum kriptografi ile dinlenmeye, çalınmaya karşı korunmasıdır. En yaygın bilinen kuantum kriptografi uygulaması kuantum anahtar dağılımıdır. Bu dağılım protokolü iki uzak taraf arasında paylaşılan gizli bir anahtar oluşturmak için kullanılan araçtır ve bu taraflar arasındaki kuantum nicelikleri kullanarak iletişim kurma beceresine dayanmaktadır. Bu nedenle de ışık tıpkı optik fiber ve uzay haberleşme bağlantılarında olduğu gibi anahtar bir rol oynar. İki taraf arasında oluşan bu güvenli haberleşme tek bir kuantum parçacığının bilinmeyen durumunu belirleyememekten ve bu parçacığın bir kopyasını yapamamaktan kaynaklanmaktadır. Böyle bir haberleşmede, tek bir fotonun bilinmeyen polarizasyonu herhangi bir ölçüm prosedürüyle açıklayamaz ya da aynı polarizasyon durumuyla tam olarak uyuşan ikinci bir foton üretemezsiniz. Bu da iki taraf arasında tam olarak aynı rastgele sayı kümesinin sahip olabildiği ve başka hiç kimsenin sahip olamayacağı bir güvenli haberleşmeyi mümkün kılar.
Kuantum algılama ile ilgili gelişmelerden ise zaman ve frekans standartları, ışık temelli kalibrasyon, kütleçekim ölçümü, manyetometre, ivmeölçüm ve mikroskop gibi görüntüleme teknolojilerinin faydalanması bekleniyor.
Yazının özellikle son kısımlarından anlaşılacağı üzere kuantum optik öyle ele avuca sığmayan, belirli bir kavramla sınırlanmayan ve tanımlaması kolay olmayan bir bilim dalı. Yüzeysel de olsa kuantum optikten bahsedildiğinde hakkında bazı çıkarımlar yapmanızı sağlayabilecek bilgiler verdiğimi düşünüyorum. İleri okumalar için aşağıda verilen referansları incelemenizi tavsiye ederim. Bu konuda daha fazla zaman ayırmak isteyenler için son referansta değerli Mustafa Gündoğan’ın paylaştığı bazı ders notları var, onları inceleyebilirler.
*Bu yazı Türkçe internette Kuantum Optiği’ni konu alan ilk popüler bilim yazısı olmuştur.
Gökhan Atmaca
Takip: twitter.com/kuarkatmaca
Kuark Bilim Topluluğu Bilim Sitesi Kuark.Org’u Facebook’ta Takip Edebilirsiniz.
Referanslar:
Andrew Zimmerman Jones, What is Quantum Optics?, ThoughtCo
https://www.nature.com/subjects/quantum-optics
H. Paul, Introduction to Quantum Optics. From Light Quanta to Quantum Teleportation, Cambridge
I. A. Walmsley, Quantum optics: Science and technology in a new light, Science
https://www.picoquant.com/applications/category/quantum-optics
Mustafa Gündoğan, Kuantum Optik Okuma Notları-1
Görsel: IQOQI/Harald Ritsch
