Kuantum teknolojisi, bireysel parçacıkların, atomların veya iyonların son derece hassas bir biçimde kontrol edilmesini gerektiriyor. Bu kontrolü sağlayan en önemli araçlardan biri ise optik cımbızlar olarak öne çıkıyor. Optik cımbızlar, odaklanmış lazerler aracılığıyla tek bir atom ya da iyonu yakalayarak kontrol edebilen cihazlardır. Günümüzde kuantum hesaplama sistemleri, atom saatleri ve temel kuantum fiziği araştırmalarında yaygın şekilde kullanılmaktadır.
TERMAL HAREKET ENGELİ
Ancak, optik cımbızlarla kontrol altına alınan sıkışmış atomlar ya da iyonlar, bulundukları aşırı düşük sıcaklıklara rağmen termal enerji sebebiyle doğal bir hareket ya da titreşim sergiler. Bu hareketlilik, sistemde istenmeyen gürültüye yol açar ve kuantum bilgi taşıyan sistemlerin performansını düşürür. Söz konusu termal salınımlar, kuantum bilgisine doğrudan müdahale eder.
YENİ YAKLAŞIM: HİPERDOLAŞIKLIK
California Teknoloji Enstitüsü (Caltech) araştırmacıları, bu hareketliliği bir engel değil, güçlü bir kaynak haline getirmeyi başardı. Yeni çalışmada, atomik hareketler hiperdolaşıklık yaratmak için kullanıldı. Hiperdolaşıklık, iki parçacığın yalnızca tek bir özelliği değil, birden fazla özelliği üzerinden aynı anda korelasyon içinde olması anlamına geliyor. Bu yöntem, daha önce yalnızca fotonlarda gözlemlenmişti. Ancak Caltech ekibi, daha büyük parçacıklar olan nötr atomlarda bu durumu ilk kez başarıyla sergilemeyi başardı.
ATOMLARDA KONTROLLÜ HAREKET
Araştırmada, optik cımbızlarla yakalanan stronsiyum atomları kullanıldı. Bu atomlar doğal olarak termal hareketler sergiliyordu ve araştırmacıların amacı bu hareketleri kontrol edilebilir bir kuantum kaynağına dönüştürmekti. Bunun için atomları neredeyse tamamen hareketsiz hale getiren özel bir soğutma yöntemi geliştirildi. Bu yöntem, 1867 yılına ait ünlü fiziksel düşünce deneyi Maxwell’in Cini’nden ilham alarak oluşturuldu.
Soğutma yaklaşımı, her bir atomun hareketinin ayrı ayrı ölçülmesini ve bu verilere dayanarak gerçek zamanlı olarak müdahaleler yapılmasını içeriyor. Sistem, her bir atomun hareketine özel kararlar alarak termal enerjiyi etkin biçimde ortadan kaldırıyor.
YENİ NESİL SOĞUTMA
“Termal hareket uyarımlarının tespiti ve ardından aktif olarak düzeltilmesi” olarak adlandırılan bu teknik, günümüzde kullanılan en gelişmiş lazer tabanlı soğutma yöntemlerinden daha üstün sonuçlar verdi. Bu yöntemle soğutulan atomlar, daha sonra belirli şekillerde salınıma geçirildi. Her bir atomun aynı anda iki farklı hareket biçimiyle salınım yapabilmesi sağlandı ve bu sayede üst üste gelme durumu (süperpozisyon) oluşturuldu. Bahsi geçen salınımların genliği yalnızca 100 nanometre civarındaydı; bu değer insan saçının kalınlığından çok daha küçük bir ölçü birimine karşılık geliyor.
HİPERDOLAŞIK ATOM DİZİLERİ
Elde edilen bu kontrollü salınımlar sonrasında, komşu atomlar arasında hiperdolaşıklık yaratıldı. Böylece her bir atomun hem hareketsel hem de elektronik durumları arasında güçlü bir korelasyon sağlandı. Araştırmacılar, bu durumu doğumda ayrılmış ama aynı isme ve aynı otomobile sahip ikizlere benzetti. Her iki atom da aynı özellikleri aynı anda taşıyabilecek biçimde birbirine bağlı hale geldi.
KUVVETLİ KUANTUM ARAÇLARI
Caltech ekibine göre bu çalışma, atom düzeyinde hem iç yapıların hem de dış hareketlerin eş zamanlı kontrol altına alınabileceğini gösteriyor. Bu, kuantum sistemleri tasarlamak için oldukça kritik bir gelişme. Elde edilen başarı, tuzaklanmış atomları kübit olarak kullanan kuantum bilgisayar sistemlerinin performansını da artırabilir.
Araştırmacılar bu çalışmayı, atomları kontrol etmek için geliştirilen bir “araç kutusunun” parçası olarak değerlendiriyor. Geçmişte yalnızca atom içindeki elektronların kontrolü mümkünken, artık atomun tüm hareketi de yüksek hassasiyetle yönetilebiliyor. Bu gelişme, gelecekte kuantum teknolojisinin daha kararlı, güçlü ve ölçeklenebilir sistemler oluşturmasına katkı sağlayabilir.
