Fizikte Dev Bir Adım: Zamanı Ölçmenin Yepyeni Yolu Keşfedildi
Tıkırdayan saatler ve salınan sarkaçlardan oluşan dünyamızda zamanın geçişini belirlemek, ‘o zaman’ ile ‘şimdi’ arasındaki saniyeleri saymak gibi basit bir işlemdir.
Ancak vızıldayan elektronların kuantum ölçeğinde ‘o zaman’ her zaman tahmin edilemez. Daha da kötüsü, ‘şimdi’ çoğu zaman bir belirsizlik bulanıklığına dönüşür. Kronometre bazı senaryolar için işe yaramayacaktır.
İsveç’teki Uppsala Üniversitesi’nden araştırmacıların 2022 yılında yaptığı bir çalışmaya göre, kuantum sisinin kendi şeklinde potansiyel bir çözüm bulunabilir.
Rydberg durumu adı verilen bir şeyin dalga benzeri doğası üzerine yaptıkları deneyler, zamanı ölçmek için kesin bir başlangıç noktası gerektirmeyen yeni bir yol ortaya çıkardı.
Rydberg atomları parçacık krallığının aşırı şişirilmiş balonlarıdır. Hava yerine lazerlerle şişirilen bu atomlar, çekirdekten uzakta yörüngede dönen son derece yüksek enerji durumlarında elektronlar içerir.
Bir Rydberg atomunun görselleştirilmesi. (Berndthaller/CC BY-SA 4.0/Wikimedia Commons)
Elbette her lazer pompasının bir atomu karikatürize boyutlara getirmesi gerekmez. Aslında, lazerler rutin olarak elektronları çeşitli kullanımlar için daha yüksek enerji durumlarına gıdıklamak için kullanılır.
Bazı uygulamalarda, zamanın geçişi de dahil olmak üzere elektronun konumundaki değişiklikleri izlemek için ikinci bir lazer kullanılabilir. Bu ‘pompa-prob’ teknikleri, örneğin bazı ultra hızlı elektroniklerin hızını ölçmek için kullanılabilir.
Atomları Rydberg durumuna getirmek, kuantum bilgisayarlar için yeni bileşenler tasarlamak söz konusu olduğunda mühendisler için kullanışlı bir hiledir. Söylemeye gerek yok, fizikçiler elektronların Rydberg durumuna itildiklerinde nasıl hareket ettikleri hakkında önemli miktarda bilgi topladılar.
Ancak kuantum hayvanları olarak, hareketleri küçük bir abaküs üzerinde kayan boncuklar gibi değil, topun her yuvarlanışının ve zıplamasının tek bir şans oyununa sıkıştırıldığı rulet masasında bir akşam gibi.
Rydberg elektron ruletinin bu vahşi oyununun arkasındaki matematiksel kural kitabı Rydberg dalga paketi olarak adlandırılır.
Tıpkı gerçek dalgalar gibi, bir boşlukta dalgalanan birden fazla Rydberg dalga paketine sahip olmak girişim yaratır ve benzersiz dalgalanma desenleriyle sonuçlanır.
Aynı atomik havuza yeterince Rydberg dalga paketi attığınızda, bu benzersiz desenlerin her biri dalga paketlerinin birbirlerine uygun olarak evrimleşmesi için gereken farklı zamanı temsil edecektir.
Rydberg durumuna itildiğinde hareket eden elektronlar, küçük bir abaküs üzerinde kayan boncuklar gibi değil, topun her yuvarlanışının ve zıplayışının tek bir şans oyununa sıkıştırıldığı rulet masasındaki bir akşam gibidir.
Bu deney setinin arkasındaki fizikçiler, zamanın bu ‘parmak izlerini’ test ederek, bunların bir tür kuantum zaman damgası olarak hizmet edebilecek kadar tutarlı ve güvenilir olduklarını göstermeye çalıştılar.
Araştırmaları, lazerle uyarılan helyum atomlarının sonuçlarını ölçmeyi ve bulgularını teorik tahminlerle eşleştirerek imza sonuçlarının bir süre için nasıl geçerli olabileceğini göstermeyi içeriyordu.
“Eğer bir sayaç kullanıyorsanız, sıfırı tanımlamak zorundasınız. Bir noktada saymaya başlarsınız,” diyor ekibi yöneten İsveç’teki Uppsala Üniversitesi’nden fizikçi Marta Berholts, 2022’de New Scientist’e yaptığı açıklamada.
“Bunun faydası, saati başlatmak zorunda olmamanızdır – sadece girişim yapısına bakar ve ‘tamam, 4 nanosaniye oldu’ dersiniz.”
Gelişen Rydberg dalga paketlerinin bir rehberi, şimdi ve sonra daha az net olduğunda veya ölçmek için çok uygun olmadığında, olayları küçük bir ölçekte ölçen diğer pompa-prob spektroskopisi biçimleriyle birlikte kullanılabilir.
Daha da önemlisi, parmak izlerinin hiçbiri zaman için bir başlangıç ve durma noktası olarak hizmet edecek bir şimdi ve sonra gerektirmez. Bu, bilinmeyen bir sprinterin yarışını, belirli hızlarda koşan bir dizi rakibe karşı ölçmek gibi bir şey olurdu.
Teknisyenler, bir pompa-prob atomları örneği arasında karışan Rydberg durumlarının imzasını arayarak, saniyenin sadece 1,7 trilyonda biri kadar kısa süren olaylar için bir zaman damgası gözlemleyebilirler.
Gelecekte yapılacak kuantum saat deneylerinde helyum yerine başka atomlar kullanılabilir, hatta farklı enerjilerde lazer darbeleri kullanılarak zaman damgası rehberi daha geniş bir koşul yelpazesine uygun hale getirilebilir.
Kaynak: https://www.sciencealert.com