IBM Research bünyesindeki ekip; Möbius Şeridi’ni andıran ancak ondan daha karmaşık bir topolojik yapıya sahip, kendi etrafında kıvrılan halka biçiminde ve daha önce gözlemlenmemiş bir molekül tasarladı. Bu yeni ve sıra dışı molekül, birçok basit yapıda olduğu gibi atomların halka şeklinde birbirine bağlanmasından oluşuyor. Ancak asıl dikkat çekici özellik, atomların etrafında hareket eden elektronların davranışında ortaya çıkıyor. Elektronların halka boyunca izlediği yol, beklenmedik biçimde kıvrımlı bir geometri sergiliyor ve görünüşte tek yüzeyli Möbius Şeridi’ni andırsa da aslında daha karmaşık bir topolojik düzen ortaya koyuyor.
Araştırmacılar, molekülü atomik bağları tek tek ve hassas bir biçimde manipüle ederek sentezledi; ardından yüksek çözünürlüklü mikroskopi teknikleriyle görüntüledi. Elde edilen bulgular, IBM’in ileri düzey kuantum bilgisayarları kullanılarak yapılan simülasyonlarla da doğrulandı. Çalışma kısa süre önce Science dergisinde yayımlandı. Bu gelişme, alışılmadık geometrilere sahip molekülleri inceleyen “topolojik kimya” alanında önemli bir ilerleme olarak değerlendirilirken; kuantum bilgisayarların atom ölçeğindeki karmaşık süreçlerin analizinde ve simülasyonunda ne kadar etkili olabileceğini de kanıtlıyor.
Bugüne kadar bu tür bir yapının yalnızca teorik olarak mümkün olabileceği düşünülüyordu. Çalışmaya dahil olmayan Japonya Moleküler Bilimler Enstitüsü araştırmacısı Yasutomo Segawa, böyle bir molekülün yalnızca teoride kalmayıp gerçekten sentezlenmiş olmasının, moleküler bilim açısından büyük bir etki yaratacağını ifade ediyor.
IBM ekibi bu sıra dışı yapıyı oluştururken, kurum bünyesinde uzun süredir kullanılan atomik manipülasyon tekniğinden yararlandı. 2013 yılında “A Boy and His Atom” adlı stop-motion filmle atomları tek tek hareket ettirerek dikkat çeken ekip, benzer bir yaklaşımı bu çalışmada da uyguladı. İnce uçlu araçlarla atomik bağları seçici olarak kırıp belirli atomları uzaklaştırarak, karmaşık bir molekülü adım adım yeniden şekillendirdiler ve sonunda “yarı-Möbius” formunu elde ettiler.
Yarı-Möbius yapısını anlamak için öncelikle “tam Möbius” bir molekülün yapısal ve topolojik özelliklerini hatırlamak faydalı olabilir. Bu yapıda atomlar basit bir halka şeklinde düzenlenmiştir; ancak asıl topoloji, her bir atomun elektron bulutu incelendiğinde ortaya çıkmaktadır. Bu bulut, elektronların bulunma olasılığının en yüksek olduğu bölgeleri gösteren, yukarı ve aşağı uzanan iki lobdan oluşur. Her atomun lob ekseni yönelimi, komşu atomlarınkinden farklıdır. Halka boyunca ilerledikçe bu eksenlerin yönelimleri öyle bir şekilde döner ki, son atomun lobları ilk atomunkiyle kıyaslandığında neredeyse ters (baş aşağı) bir yönü gösterir.
Bu durum, Möbius Şeridi üzerinde yürüyen bir karıncaya benzetilebilir: Karınca bir tur sonunda başlangıç noktasına göre ters bir konuma gelir, iki tur sonunda ise tekrar başlangıç noktasına döner. Bu topolojik özellik fiziksel olarak dramatik bir değişim yaratmaz; örneğin bir atomun elektron bulutunu ters çevirmek, elektronun bulunma olasılığını değiştirmez. Ancak bu “alt-üst” yolu izleyen bir elektron ile bu yolu izlemeyen bir elektron, belirgin bir şekilde etkileşime girebilir; bu durum, birbirine çok benzer frekansta iki zıt radyo sinyaline aynı anda ayar yapmak gibi düşünülebilir.
Yarı-Möbius yapı ise daha da karmaşıktır. Elektron bulutlarının artı şeklinde düzenlenmesi, tam bir ters dönüş yerine kısmi bir dönüşe izin verir. Bu yapıyı anlamak için bir şerit düşünülüp tek bir noktadan kesildiği, 90 derece döndürüldüğü ve yeniden birleştirildiği varsayılabilir. Bu durumda şeridin üstünden yürümeye başlayan bir karınca, ancak çember etrafında dört tur attıktan sonra başladığı noktaya geri dönebilmektedir.
Elektron bulutları kuantum dünyasının derinliklerinde yer alır ve görüntülenmeleri oldukça güçtür. Mevcut en gelişmiş mikroskoplarla bile araştırmacılar yalnızca bulanık bir bulut görüntüsü elde edebilmiştir. Araştırmacılar, bu yapının gerçekten bu denli kıvrımlı olduğunu kanıtlamak için kuantum bilgisayarların gücünden yararlandılar. Molekülün etrafında hızla hareket eden elektronları simüle ederek mikroskopta nasıl görüneceğine dair bir model ürettiler. Ardından aynı işlemi, molekülün daha basit ve bükülmemiş versiyonu için tekrarladılar. İki görüntü karşılaştırıldığında, molekülün gerçekten “yarı-Möbius” formunda olduğu anlaşıldı.
Bu sonuç, çok sayıda ileri teknolojinin bir araya gelmesiyle elde edilebilen oldukça özel bir yapıdır. IBM ekibinden Leo Gross, bu olağan dışı molekülü son derece spesifik koşullar altında ürettiklerini ve doğada böyle bir oluşumun mümkün olmayacağını belirtmiştir. Araştırmacılar, kuantum bilgisayarların gerçek bir bilimsel keşifte bu denli etkin rol oynamasından heyecan duyduklarını ifade etmektedirler.
Klasik bilgisayarlarla yapılan karşılaştırmalı simülasyonlarda, kuantum yaklaşımının avantajları açıkça öne çıkmıştır. Hesaplamadaki elektron sayısı veya bu elektronların yer alabileceği kuantum durumlarının sayısı arttıkça, işlem süreci klasik sistemler için imkansız denecek kadar karmaşık hale gelmektedir. Ancak IBM’in kuantum bilgisayarı, bu durumları farklı kuantum olasılıklarının süperpozisyonunu temsil edebilen ‘kübitler’ ile işler. Böylece büyük ölçekli hesaplamalar daha verimli bir şekilde gerçekleştirilebilmektedir. Ekip, hesaplamayı ölçeklendirerek belirli bir noktadan sonra elektron bulutlarının benzer göründüğünü doğrulamış; böylece mikroskop görüntülerinin kuantum mekaniği ilkeleriyle tam uyumlu olduğunu kanıtlamıştır.IBM’den Ivano Tavernelli, bu gelişmenin kuantum bilişimin ulaştığı olgunluk seviyesini göstermesi açısından kritik olduğunu belirterek şunları ekliyor: “Yaklaşık 10 yıl içinde birkaç kübitten yüzlerce kübite ulaştık. Eğer bu ivmeyle ilerlemeye devam edersek, çok daha devrimsel sonuçlar görebiliriz.”
Çeviren: Çağın Bera Bay
Redaktör: Büşra Özer
Bilimsel Redaktör: Yasemin Poyraz Koçak
