Kuantum Bilgisini Yok Etmeden Kübit Taşıyan Fotonları Algılamak

Çeviren: Beyzanur Dursun

Düzenleyen: Ümit Sözbilir

Özet: Max Planck Kuantum Optik Enstitüsündeki araştırmacılar devlet kurumları ile bankaların veri trafiğini koruyacak şekilde ve daha birçok alanda büyük gelişme yaratacak kuantum iletisini takip edebilmek için özel olarak tasarlanmış algıç ile birtakım deneyler yaptılar.

Kuantum haberleşmesi cihazlar arasındaki iletileri şifrelenmiş bir şekilde gönderse de bu ultra güvenli sistem uzun mesafelerde etkili olamıyordu. Max Planck Kuantum Optik Enstitüsündeki araştırmacılar bu durumu değiştirmek istiyorlardı. Bu mesele için araştırmacılar, kuantum iletimlerini takip etmek için kullanılabilecek bir algılama yöntemi geliştirdiler. Bu sistem kuantum bilgisinin bir yerden başka bir yere taşınması için günümüzde kullanılan dolanıklılık esaslı yöntemdir. Gönderici ve alıcı arasında taşınan fotonlar geçici olarak kısa ömürlü kabul edilir. Yani foton hızlandıkça kaybolur. Çünkü fotonları uzun mesafelerde tespit edip verileri toplamak bu deneyin temel amacıdır. Bu amaç doğrultusunda fotonun nerede olduğunu bilmek önemlidir. Böylece uzun mesafelerde anahtar şifrelemelerinin aksamadığını öğrenmek büyük ölçüde güvenli iletişime katkı sağlayabilir. Ayrıca bu durum para aktarımlarının şifrelenmesi gibi uygulamaları çok daha pratik hale getirecektir.

Kuantum kriptografisi büyük verilerde erişim güvenliği için veri gizliliği sağlamayı amaç edinen bir yöntemdir. Devlet kurumları ve bankalar tarafından çok önem taşıyan bu ultra güvenli sistem, üçüncü şahısların özel mesajlarınızı erişimini engelleyecektir. Güvenli iletişimi garanti edebilmek için ise kuantum mekaniğinin en küçük birimi olan kübitler kullanılır. Aynı zamanda bu kübitler kafa karıştırıcı bir işleyişe sahiplerdir. Kübitlerin uzun mesafelerde taşınmasını sağlayan ışık parçacıkları kuantum bilgisinin aniden kaybolmasına neden olur. Bunun sebebi ise iletim sürecinde meydana gelen aksaklıklardır. Genellikle bu aksaklıklar uzun mesafelerde iletim konusundadır. Örnek olarak kuantum bilgisinin iletimi aralarında büyük uzaklık bulunan Münih’ten Berlin’e denenmiş ve iki milisaniye içerisinde gönderilmiştir.

Algıç Kuantum Bilgisini Okuyamaz

Max Planck Kuantum Optik Enstitüsünden Dominik Niemietz ve Gerhard Rempe öncülüğünde bir ekip, kübitin kuantum iletiminin ara istasyonlarında çoktan kaybolup kaybolmadığını gösterebilecek fiziksel bir yöntem geliştirdi. Öne sürdüğü yöntem gereği fotonik kübitler için bir algıç geliştiren Dominik Niemietz, “Eğer durum böyleyse verici kaybın sadece alıcı uçta fark edilmesine kıyasla önemli ölçüde daha az gecikmeyle kübiti yeniden gönderilebilir.” diyor ve sözüne devam ediyor, “Kübiti yok etmememiz çok önemlidir. Dolayısıyla sadece kübit fotonunu tespit ediyoruz ve onu ölçmüyoruz.” diye söylüyor. Başka bir deyişle algıç fotonun orda olup olmadığını algılar fakat içindeki kodlanmış kuantum bilgisini okumaz. Bu bir tür kargo paketinin içini görmeden aktif olarak onu takip etmek gibi bir şey. “Bu çok kritiktir çünkü kuantum fiziğinin yasaları 1 numaralı durumdan bir başka 1 numaralı duruma kübit kopyalamayı dışlar ki burada olan durum da kuantum kriptografidir. Yani kuantum kriptografinin dayandığı şey budur.” Bu nedenle kuantum iletisi ne vericiyi ve alıcıyı kuranlar ne de casuslar tarafından bir ara istasyonda yenilenemez.

İki Çınlaç ve Bir Atom, Kübitin Algılanmasını Sağlar

Fizikçiler mesajın kendisini okumadan kuantum bilgisi taşıyan bir fotonu tespit etmek için iki dikey çınlaçta yakaladıkları bir atomla çalışırlar. İki çınlacın her biri aynadan oluşur böylece atom üst üste gelinmiş bir halde dört aynayla çevrilidir. Çınlaçlardan biri fotonun son derece nazik bir dokunuşla atomun varlığını tanıyacağı şekilde tasarlanmıştır: Çınlaç bir fotonun ulaştığı ya da ulaşamadığı optik bir fiberin ucunda bulunur. Eğer foton optik bir fiberin ucuna gelirse olan durum yansıtılır ve atomun halini değiştirir. Burada önemli olan kuantum bilgisinin bundan etkilenmeden kalmasıdır. Bunu aynı paket dağıtıcılarının evde kimse yokken mesajı bırakıp paketi geri götürmesi gibi düşünebilirsiniz. Foton atomun durumunu etkiler. Bu süreçte atoma ilişkin spin yani dönü tam tersi olacak şekilde değiştirilir. Bunun aksine kuantum bilgisi fotonun salınım düzlemine yerleştirilmiştir. Bu sayede fizikçiler kutuplaşmadan söz ederler.

Fotonun orada olup olmadığını ve atomun durumunu değiştirip değiştirmediğini nasıl anlayabiliriz? Bu iş ikinci çınlaca aittir. Foton algıca beklenen zamanda ulaşamazsa Garching’de bulunan fizikçiler atomu lazer ışığıyla ışınlayarak aydınlatabilirler. İkinci ayna çifti ve klasik bir foto algıcıyla aydınlanmayı kolayca algılayabilirler. Ama eğer atomun durumunu değiştirerek diğer çınlaçta başka bir foton yansıtılırsa bu işe yaramaz ve atom karanlıkta kalır.

Algıç, 14 Kilometre Öteden Kuantum Haberleşmesini Hızlandırır

Max Planck Enstitüsündeki araştırmacılar, model hesaplamalarıyla kübitleri taşıyan fotonların saptanmasının kuantum iletişimini daha verimli hale getirdiğini gösterdi. Buna göre deneyler için kullandıkları algıç, kuantum bilgisinin iletimini 14 kilometreden daha uzun bir mesafeden hızlandıracaktı. Araştırma ekibinin bir parçası olan Pau Farrera “Fotonik kübitler için bir algıç daha kısa mesafelerde de faydalı olabilir ancak gerçekleşmesi için algılanmanın mevcut deneyde olduğundan daha güvenilir bir şekilde olması gerekir. Bu temel bir mesele değil sadece teknik bir sorun. Algıcın verimliliği şu anda büyük ölçüde zarar görmektedir çünkü çınlaca gelen fotonların sadece üçte birini yansıtmaktadır. Sadece bir yansıma durumunda, bir foton atomda iz bırakır. Fakat çınlaçların üretimini geliştirerek bu verimliliği neredeyse yüzde yüze çıkarabiliriz.” diye açıklıyor.

Fotonik kübiti güvenilir bir şekilde algılayan bir algıç sadece aktarım sırasında kuantum bilgisinin izlenmesinde yardımcı olmakla kalmaz aynı zamanda kuantum iletisinin varış noktasına ulaşmasını da doğrulayabilir. Foton içinde kodlanan bilgi bileşik bir şekilde daha fazla işlenecekse örneğin, dolanık atomlara aktarılacaksa bu yararlıdır. Dolanıklılık, verileri şifrelemek ve işlemek için kullanılabilen kuantum mekaniksel bir olgudur. Bu süreçte, uzamsal olarak birbirinden ayrılmış olan iki parçacık, tek bir kuantum varlık haline gelir. Bir parçacıktaki değişiklikler böylece doğrudan diğerindeki değişikliklere yol açar. Max Planck Kuantum Optik Enstitüsü Yöneticisi Gerhard Rempe, “Dolanıklık yaratmak karmaşıktır.” diyor ve “Bir kübiti işlemek için yalnızca bu kübitin orada olduğundan eminseniz kullanmalısınız.” diye ekliyor.

Kuantum iletisinin takibini bilgi işlemede nasıl bir rol oynayacağını belirlemek Gerhard Rempe’nin grubundaki olası deneylerin hedeflerine ulaştırabilir. Max Planck Yöneticisi şunları söylüyor: “Algıcı Garching’deki enstitümüz ile daha uzak bir yer arasında kuantum haberleşmesi için kullanmak istiyoruz. Laboratuvarımızdan pratik uygulamaya geçiş yapmak için bu adımı örnek verebiliriz. Bu şekilde büyük ve uzun vadeli hedefimiz olan kuantum internetine bir kez daha emin adımlarla yaklaşıyoruz.”

Yoluyla
https://phys.org/news/2021-03-photons-qubits-quantum.html

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Başa dön tuşu