Zaman kristali fiziği sonsuza kadar değiştirebilir | Pelerin Kutusu | Bilim Sanat Yazılım Kitap Oyun Teknoloji Gündemi

Zaman kristali fiziği sonsuza kadar değiştirebilir

Ben Turner

Google ile ortaklaşa çalışan araştırmacılar, teknoloji devinin sahip olduğu kuantum bilgisayarını ‘zaman kristali’ ismi verilen tam manasıyla yeni bir unsur aşaması/hali oluşturmak için kullanmış olabilirler. Güç kaybetmeden iki durum [maddenin hali] ortasında sonsuza dek bir döngü yaratabilme maharetini barındıran vakit kristalleri, fiziğin en önemli maddelerinden birinin -kapalı bir sistemdeki bozulmanın ya da ‘entropinin’ sürekli artması gerektiğini vurgulayan termodinamiğin ikinci yasasının- etrafından dolanıyor. Anlaşılması sıkıntı olan bu vakit kristalleri daima bir akış halinde var olmasına rağmen, rastgele bir rastgeleliğe giden çözünmeye direnerek kararlı kalıyorlar.

GOOGLE’IN KUANTUM İŞLEMCİSİ KULLANARAK YARATILDI

28 Temmuz’da arXiv isimli ön baskı bilgi tabanına yollanan bir araştırma makalesinde aktarıldığı kadarıyla, bilim insanları, Google’ın Sycamore isimli kuantum işlemcisinin çekirdeğindeki ‘kubitleri’ (kuantum hesaplamadaki klâsik bilgisayar bitinin bir çeşidini) kullanmak yoluyla, yaklaşık 100 saniyelik bir vakit diliminde vakit kristali oluşturmayı başardılar.

Bu garip yeni unsur evresinin mevcudiyeti ve ortaya koyduğu tam manasıyla yeni fizikî davranış alanı, bilhassa de vakit kristallerinin var olabileceği fikri sadece dokuz yıl evvel ortaya atıldığından, fizikçiler açısından inanılmaz derecede heyecan verici. Çalışmaya dahil olmayan ve İngiltere’deki Birmingham Üniversitesi’nde vazife yapan fizikçi Curt von Keyserlingk, Live Science mecmuasında verdiği demeçte, “Bu büyük bir sürprizdi” diyor: “30, 20, hatta tahminen 10 yıl evvel birine sorsaydınız, bu sonucu beklemezdi.”

Fizikçilerin gözünde vakit kristalleri büyüleyici objelerdir; çünkü, fizikteki en sert maddelerden biri olan termodinamiğin ikinci yasasını sahiden de atlatırlar. [Bu yasa] Entropinin (bir sistemdeki bozunma/düzensizlik ölçüsünü simgeleyen bir terim) her vakit arttığını tabir eder. Şayet daha nizamlı bir şey yaratmak istiyorsanız, daha fazla güç harcamanız gereklidir.

ENTROPİYE MEYDAN OKUYAN PARÇACIK

Bu düzensizliğin artma eğilimi, eldeki materyalleri bir karışıma eklemenin neden onları tekrar birbirinden ayırmaktan daha kolay olduğu ya da kulaklık kablolarının neden pantolon ceplerinde bu kadar karıştığı üzere birçok olguyu açıklar. Bununla bir arada, geçmişteki kainatın ebediyen şimdiki vakitten daha nizamlı olduğu vakit okunu da belirler; mesela, bir görüntüyü bilakis izlemek garip görünebilir; zira bu entropik akışın mantık dışı biçimde aksine dönüşüne şahit olursunuz.

Vakit kristalleri ise bu kurala uymaz. Ağır ağır termal istikrara yaklaşmak, yani güçleri ya da sıcaklıkları etraflarına yanlışsız eşit olarak dağıtılacak biçimde ‘termalleşmek’ yerine, bu istikrar halinin üzerindeki iki güç durumu ortasında sıkışıp kalırlar ve bunların ortasında daima biçimde ileri geri çevrime girerler.

Von Keyserlingk, bu davranışın nasıl da olağandışı olduğunu açıklamak için, milyonlarca sefer çalkalanmadan evvel madeni paralarla dolu mühürlü bir kutuyu hayal ettiğini söylüyor. Madeni paralar birbirleriyle çarpışıp zıpladıkça ve sektikçe, sarsıntı duruncaya kadar “keşfedebilecekleri her cinsten duruşu keşfederek gitgide daha kaotik hale gelirler” ve madeni paraları rastgele bir düzenleme içinde, kabaca yarısı üst ve yarısı aşağı bakacak biçimde durdurmak için kutu açılır. Birinci düzenleme halimizden bağımsız olarak, kutudaki paraları bu rastgele, yarısı üst, yarısı aşağı bakacak halde görmeyi bekleyebiliriz.

Google’ın Sycamore sisteminin ‘kutusunun’ içindeyken, kuantum işlemcinin kubitlerini örnekteki madeni paralarımız üzere görebiliriz. Madeni paralar yazı ya da cinse olabilecekleri üzere, kubitler de -iki durumlu bir sistemdeki iki beklenen pozisyon olan- ya ‘1’ ya da ‘0’ olabilir yahut ‘süperpozisyon’ ismi verilen, her iki durumla ilgili olasılıkların garip bir karışımı halinde olabilirler. Von Keyserlingk’in aktardığı kadarıyla, vakit kristalleriyle ilgili tuhaf olan şey, hiçbir sarsıntı seviyesinin ya da bir durumdan başkasına geçiş yapmanın, vakit kristalinin kubitlerini rastgele bir düzenleme olan en düşük güç durumuna taşıyamaması; sırf başlangıç durumundan ikinci duruma, akabinde tekrar geri dönebiliyorlar.

SONSUZ BİR DÖNGÜDEKİ SARKAÇ ÜZERE

Von Keyserlingk, “Kısaca pinpon topu üzere bir şey” diyor: “Neticede, rastgele üzere görünmüyor, sırf [iki durum arasında] sıkışıp kalıyor. Güya başlangıçta neye benzediğini hatırlıyor ve vakitle bu kalıbı tekrarlıyor.”

Bu manada, bir vakit kristali, sallanmayı hiç bırakmayan bir sarkaca benziyor.

İngiltere’de bulunan Loughborough Üniversitesi’nde fizikçi ve 2015’te bu yeni basamağın teorik mümkünlüğünü birinci keşfeden bilim insanları ortasında olan Achilleas Lazarides, Live Science’a verdiği demeçte, şöyle diyor: “Bir sarkacı sürtünme ve hava direncinin olmadığı biçimde cihandan fizikî olarak tam manasıyla yalıtsanız dahi, en nihayetinde durur. Ve bu durum, termodinamiğin ikinci maddesinden kaynaklanır. Güç, sarkacın kütle merkezinde ağırlaşmaya başlar lakin -atomların bir çubuğun içinde titreşebileceği yollar gibi- tüm bu içsel özgürlük dereceleri en nihayetinde içine aktarılacaktır.”

İşin gerçeği, büyük ölçekli bir objenin mantıksız görünmeksizin bir vakit kristali üzere davranmasının bir yolu mevcut değildir; çünkü vakit kristallerinin var olmasını sağlayan yegâne kural, çok derecede küçük olan kuantum mekaniğinin dünyasına taraf veren ürkütücü ve gerçeküstü kurallardır.

Kuantum dünyasında, objeler tıpkı anda hem nokta halindeki parçacıklar hem de küçük dalgalar üzere davranırlar; bu dalgaların rastgele bir uzay bölgesindeki büyüklüğü, o yerde bir parçacık bulunması ihtimalini temsil eder. Buna rağmen, (bir kristalin yapısında bulunan rastgele kusurlar ya da kubitler ortasındaki etkileşim kuvvetlerinde programlanmış bir rastgeleliğe benzer) rastgelelik, bir parçacığın mümkünlük dalgasının kendisini çok küçük bir bölge dışında her yerde ortadan kaldırmasına yol açabilir. Yerinde kök salmış, hareket edemeyen, durumunu değiştiremeyen ya da etrafıyla termalleşemeyen parçacık, makul bir yerde lokalize hale gelir [yerelleşir].

DENEYLER MUVAFFAKİYETE ULAŞTI

Araştırmacılar, deneylerinde temel olarak bu yerelleştirme sürecini kullandılar. Bilim insanları, kubitler için 20 süper iletken alüminyum şeridi kullanarak, her birini iki olası durumdan birine programladılar. Daha sonra, şeritler üzerinde bir mikrodalga ışını patlatarak, kubitleri durumları bilakis çevirmek hedefiyle kullanabildiler; araştırmacılar tıpkı deneyi on binlerce kez daha yinelediler ve kubitlerin bulunduğu durumları kaydetmek gayesiyle farklı noktalarda durdular. Ulaştıkları sonuç, kubit kümelerinin sırf iki düzenleme ortasında ileri-geri gidip geldiğiydi ve ayrıyeten kubitler mikrodalga ışınından gelen ısıyı emmiyorlardı; sonunda bir vakit kristali yaratmışlardı.

Bununla birlikte, vakit kristallerinin, hususun bir evresi olduğuna ait önemli bir ipucuna rastladılar. Bir şeyin bir faz olarak kabul edilebilmesi için, dalgalanmalar karşısında genelde çok kararlı olması gerekir. Etraflarındaki sıcaklıklar biraz değiştiğinde katı objeler erimez; hafif dalgalanmalar da sıvıların aniden buharlaşmasına ya da donmasına sebep olmaz. Birebir halde, şayet kubitleri durumlar ortasında çevirmek gayesiyle kullanılan mikrodalga ışını, kusursuz bir çevrim için gereken tam 180 dereceye yakın lakin biraz uzağında olacak biçimde ayarlanırsa, kubitler yeniden de öteki duruma çevrilir.

Lazarides, “Şayet kesin biçimde 180 derecede değilseniz, onları dönüştüreceğiniz durum bu değildir” diyor: “Küçük yanlışlar yapıyor olsanız bile, [zaman kristali] sihirli bir halde sürekli size biraz ipucu verir.”

Bir evreden bir diğerine geçmenin bir başka ayırt edici özelliği, fizikî simetrilerin kırılmasının, fizik maddelerinin vakit yahut uzayın rastgele bir noktasında her obje için birebir olduğu fikridir. Sıvı haldeyken suda bulunan moleküller uzaydaki her noktada ve her istikamette tıpkı fizikî maddeleri izler; ancak suyu buza dönüşecek seviyede soğutursanız, molekülleri, kendilerini düzenlemek için bir kristal yapı yahut kafes biçiminde sistemli noktalar seçer. Birden teğe, su molekülleri uzayda işgal edilecek birtakım noktaları tercih eder ve öteki noktaları boş bırakırlar; suyun uzamsal simetrisi bizatihi bozulur.

Buzun uzamsal simetriden koparak uzayda bir kristal haline gelmesine misal formda, vakit kristalleri de vakit simetrisinden koparak vakit içinde kristalleşir. Başlangıçta, vakit kristali fazına dönüşmeden evvel, kubit dizisi vakit içindeki tüm anlar ortasında daima bir simetri yaşar. Bununla birlikte, mikrodalga ışınının periyodik döngüsü, kubitlerin sahip olduğu durağan şartları başka paketlere böler (ışın tarafından uygulanan simetriyi başka bir zaman-dönüşüm simetrisi haline getirir). Sonrasında, kubitler ışının dalga uzunluğunun iki katı dönemde ileri-geri çevrilerek, lazer tarafından uygulanan ayrık vakit çeviri simetrisi aracığıyla birbirinden ayrılır. Onlar, bunu yapabildiğini bildiğimiz birinci objelerdir.

Tüm bu gariplik, vakit kristallerini yeni fizik açısından verimli hale getirir ve Sycamore sisteminin öbür deneysel kurulumların ötesinde araştırmacılara sağladığı denetim, onu daha çok araştırma için kusursuz bir platform haline getirebilir. Yeniden de bu, daha fazla geliştirilemeyeceği manasına gelmez. Bütün kuantum sistemlerinde olduğu üzere, Google’ın kuantum bilgisayarının kubitlerinin de sonuçta kuantum lokalizasyon tesirlerini parçalayarak vakit kristalini yok eden ‘uyumsuzlaşma’ ismi verilen bir süreçten geçmesini önlemek için, etrafından tam manasıyla yalıtılması gerekir. Araştırmacılar, işlemcilerini daha iyi yalıtmanın ve uyumsuzlaşmanın tesirini azaltmanın yollarını bulmaya çalışıyorlar; buna rağmen, etkiyi sonsuza dek ortadan kaldırmaları pek beklenen görünmüyor.


Yazının yepyenisi Live Science sitesinden alınmıştır. (Çeviren: Tarkan Tufan)

Kaynak: Gazeteduvar

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir