Atomlardaki kuantum titreşimleri minyatür bir bilgi dünyasını içinde saklar. Bilim insanları bu atomik salınımları ve zaman içindeki değişimlerini doğru bir şekilde ölçebilirlerse, atomik saatlerin yanı sıra; dalgalanmaları karanlık maddenin varlığını, yerçekimi dalgalarını ve hatta yeni, beklenmedik fenomenleri gösterebilen atom sistemlerinden oluşan kuantum sensörlerinin hassasiyetini iyileştirebilirler.
Daha iyi kuantum ölçümlerine giden yolda en büyük bir engellerden biri klasik dünyadan gelen, ölçümü zor atomik titreşimleri kolayca bastırabilen ve bu titreşimlerde herhangi bir değişikliği tespit etmeyi fazlasıyla zorlaştıran gürültüdür.
MIT fizikçileri, parçacıkları iki temel süreçten geçirerek atomik titreşimlerdeki kuantum değişikliklerini ölçüm kapasitesini önemli ölçüde artırabileceklerini gösterdiler: kuantum dolanıklığı ve zamanın tersine çevrilmesi.
Bir DeLorean almak için alışverişe çıkmadan önce şunu belirtelim: malesef hayır, zamanın kendisini tersine çevirmenin bir yolunu bulamadılar. Bunun yerine fizikçiler kuantum dolanık atomları, parçacıklar zamanda geriye doğru evriliyormuş gibi davranacak şekilde ayarladılar. Araştırmacılar atomik salınımların bandını etkili bir şekilde geri sardıkça, bu salınımlardaki herhangi bir değişiklik kolayca ölçülebilecek bir şekilde büyütüldü.
Bugün Nature Physics’te yayınlanan bir makalede ekip, SATIN (zamanın tersine çevrilmesi yoluyla sinyal yükseltmesi) adını verdikleri tekniğin, kuantum dalgalanmalarını ölçmek için bugüne kadar geliştirilen en hassas yöntem olduğunu gösteriyor.
Bu teknik, mevcut son teknoloji atomik saatlerin doğruluğunu 15 kat artırabilir, öyle ki zaman ölçümleri evrenin yaşından daha uzun bir süre geçse dahi 20 milisaniyeden az sapma gösterecek kadar hassas olacaktır. Yöntem ayrıca, yerçekimi dalgalarını, karanlık maddeyi ve diğer fiziksel fenomenleri tespit etmek için tasarlanmış kuantum sensörlerini daha fazla odaklamak için de kullanılabilir.
MIT’de Lester Wolfe Fizik Profesörü olan baş yazar Vladan Vuletic “Bunun geleceğin paradigması olduğunu düşünüyoruz, çok sayıda atomla çalışan herhangi bir kuantum girişimi bu teknikten yararlanabilir.” diyor.
Çalışmanın MIT ortak yazarları arasında ilk yazar Simone Colombo, Edwin Pedrozo-Peñafiel, Albert Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Mendez ve Chi Shu yer alıyor.
Dolanık Zaman Tutucular
Belirli bir atom türü belirli ve sabit bir frekansta titreşir, öyle ki düzgün bir şekilde ölçüldüğünde, zamanı bir mutfak saatinin saniyesinden çok daha kısa aralıklarla tutan çok hassas bir sarkaç işlevi görebilir. Ancak tek bir atom ölçeğinde, kuantum mekaniği yasaları devreye girer ve atomun salınımı, her atıldığında rastgele bir yüzü yukarı bakan madeni paraya benzer şekilde değişir. Bilim insanları ancak bir atomun birçok ölçümünü alarak onun gerçek salınımının bir tahminini elde edebilirler (Standart Kuantum Limiti olarak bilinen bir sınırlama).
Fizikçiler, son teknoloji ürünü atomik saatlerde, doğru bir ölçüm alma şanslarını artırmak için binlerce ultra soğuk atomun salınımını defalarca ölçerler. Yine de, bu sistemlerde bazı belirsizlikler vardır ve hassasiyetleri iyileştirilebilir.
2020’de Vuletic’in grubu, mevcut atomik saatlerin hassasiyetinin birbiriyle dolanık atomlar (parçacıkların kolektif, yüksek oranda ilişkili bir durumda davranmaya zorlandığı bir kuantum fenomeni) kullanılarak geliştirilebileceğini gösterdi . Bu dolanık durumda, tek tek atomların salınımları, doğru bir şekilde ölçmek için çok daha az çaba gerektiren ortak bir frekansa doğru kaymalıdır.
Vuletic, “O zamanlar hassasiyetimiz saat fazını ne kadar iyi okuyabildiğimizle sınırlanmıştı.” diyor.
Yani, atomik salınımları ölçmek için kullanılan araçlar, atomların toplu salınımlarındaki herhangi bir ince değişikliği okumak veya ölçmek için yeterince hassas değildi.
İşareti Ters Çevirin
Ekip, yeni çalışmalarında, mevcut okuma araçlarının çözünürlüğünü iyileştirmeye çalışmak yerine, mevcut araçlar tarafından okunabilecekleri şekilde, salınımlardaki herhangi bir değişiklik sonucunda meydana gelen sinyalleri artırmaya çalıştı. Bunu kuantum mekaniğinde başka bir ilginç fenomenden yararlanarak yaptılar: zamanın tersine çevrilmesi.
Klasik gürültüden tamamen izole edilmiş bir grup atom gibi tamamen kuantum bir sistemin zaman içinde öngörülebilir bir şekilde ilerlemesi ve atomların etkileşimlerinin (salınımları gibi) tam olarak sistemin “Hamiltonyen”i (sistemin toplam enerjisinin matematiksel bir tanımı) tarafından tanımlanması gerektiği düşünülmektedir.
1980’lerde teorisyenler, bir sistemin Hamiltonyen’inin tersine çevrilmesi ve sistemin tersine evrilmesinin sağlanması halinde, sistemin zamanda geriye gidiyormuş gibi olacağını öngördüler.
Pedrozo-Peñafiel, “Kuantum mekaniğinde Hamiltonyen’i biliyorsanız, sistemin zaman içinde ne yaptığını takip edebilirsiniz – bir kuantum yörüngesi gibi.” diye açıklıyor. “Eğer bu evrim tamamen kuantum ise, kuantum mekaniği size geriye doğru evrilebileceğinizi veya daha da geriye gidip ilk duruma dönebileceğinizi söyler.”
Colombo, “Ve fikir şu ki, eğer Hamiltonyen’in işaretini tersine çevirebilirseniz, sistem ileriye doğru evrildikten sonra meydana gelen her küçük bozulma, zamanda geriye giderseniz büyüyecektir,” diye ekliyor.
Ekip, yeni çalışmaları için 400 ultra soğuk iterbiyum atomu (günümüzün atom saatlerinde kullanılan iki atom türünden biri) üzerinde çalıştı. Isı gibi klasik etkilerin çoğunun kaybolduğu ve atomların davranışının tamamen kuantum etkileri tarafından yönetildiği sıcaklıklarda, atomları, sıcaklıkları mutlak sıfırın az bir miktar üzerinde olacak kadar soğuttular.
Ekip, atomları tuzaklamak için bir lazer sistemi kullandı, ardından atomlara onları birbirleriyle ilişkili bir halde salınmaya zorlayan mavi renkli bir “dolanık” ışık gönderdi. Dolanık atomların zaman içinde evrimleşmesine izin verip sonra onları küçük bir kuantum değişikliğine neden olan zayıf bir manyetik alana maruz bıraktılar ve atomların toplu salınımlarını hafifçe değiştirdiler.
Böyle bir kaymayı mevcut ölçüm araçlarıyla tespit etmek neredeyse imkansızdı. Bunun yerine ekip, bu kuantum sinyalini artırmak için zamanı tersine çevirdi. Bunu yapmak için, atomların sanki zamanda geriye doğru evrimleşiyormuş gibi dolanık olmadıkları duruma dönmelerini sağlayan kırmızı renkli başka bir lazer ışığı gönderdiler.
Daha sonra, dolanık olmayan hallerine geri dönmekte olan parçacıkların salınımlarını ölçtüler ve son fazlarının ilk fazlarından belirgin şekilde farklı olduğunu buldular (ileri evrimlerinde bir yerde bir kuantum değişikliğinin meydana geldiğinin açık kanıtı).
Ekip, her seferinde kuantum sinyalinin beklenen amplifikasyonunu gözlemleyerek, 50 ila 400 atom arasında değişen bulutlarla bu deneyi binlerce kez tekrarladı. Dolanık sistemlerinin, benzer dolanık olmayan atomik sistemlerden 15 kata kadar daha hassas olduğunu buldular. Eğer sistemleri en son teknolojiye sahip atom saatlerine uygulanırsa, bu saatlerin gerektirdiği ölçüm sayısını 15 kat azaltacaktır.
İleriye dönük olarak, araştırmacılar yöntemlerini karanlık madde vb. için kuantum sensörlerinin yanı sıra atomik saatler üzerinde test etmeyi planlıyorlar.
Vuletic, “Dünya etrafında yüzen bir karanlık madde bulutu yerel olarak zamanı değiştirebilir ve örneğin Avustralya’daki saatleri Avrupa ve ABD’dekilerle karşılaştırıp, zamandaki ani değişiklikleri tespit etmeye çalışan bilim insanları var.” diyor. “Tekniğimiz tam olarak buna uygun, çünkü bulut geçerken hızlıca değişen zaman varyasyonlarının ölçülmesi gerekiyor.”
Yazar: Melike Zeynep Koçer
Redaktör: Yalın Başay
Yoruma kapalı.