Güneş’in Işığında Saklı Kuantum Sırrı: Kaotik Işık Nasıl Dolanık Parçacıklara Dönüştü?
Bilim insanları, sıradan güneş ışığını bir kuantum dolanıklık kaynağına dönüştürerek, daha enerji verimli kuantum teknolojilerine giden şaşırtıcı bir yol açtı.
Kuantum teknolojileri genellikle büyük miktarda enerji tüketen güçlü lazerlere dayanır. Bu sistemler büyüyüp yaygınlaştıkça, enerji gereksinimleri giderek daha önemli bir sorun haline gelebilir. Araştırmacılar şimdi, fotonlar arasında kuantum dolanıklıkdolanıklık oluşturmak için bizzat güneş ışığının kullanılabileceğini gösterdi ve böylece potansiyel olarak daha enerji verimli bir alternatif sundu.
Kanada’daki Ottawa Üniversitesi’nden yeni mezun olan Cheng Li, “Kuantum dolanıklık; güvenli iletişim, ultra hassas algılama ve yüksek performanslı hesaplama gibi uygulamalar için hayati önem taşır,” dedi. “Çalışmamız, bol miktarda bulunan doğal ışık kaynaklarının kuantum dolanıklık için kullanılabileceğini ve bunun da daha enerji verimli ve erişilebilir kuantum teknolojilerinin önünü açabileceğini gösteriyor.”
Optica Publishing Group’un yüksek etkili araştırmalara yer veren dergisi *Optica*’da yayımlanan çalışma, gelen ışığın bant genişliğindeki farklılıklar hesaba katıldığında, güneş ışığının lazer tabanlı yöntemlerle kıyaslanabilir düzeyde dolanıklık üretebildiğini ortaya koydu. Bu çalışma, Ottawa Üniversitesi’nden Robert Boyd’un ekibinin teorik ilerlemeleri ile Almanya’daki Max Planck Işık Bilimi Enstitüsü’nden (MPL) Hanieh Fattahi’nin ekibi tarafından geliştirilen yeni bir güneş yoğunlaştırıcısını bir araya getirdi.
Makalenin başyazarı Li, “Bu teknoloji bir gün uyduların, uzayda halihazırda bolca bulunan güneş ışığını kullanarak güvenli şifreleme anahtarları oluşturmasını sağlayabilir; böylece uydu üzerindeki lazerlere ve destekleyici donanımların büyük bir kısmına duyulan ihtiyaç azalabilir,” dedi. “Güneş ışığıyla sağlanan dolanıklık üretimi, enerji yükünü artırmadan kuantum hesaplamayı ölçeklendirmek için gereken kritik unsuru da sunabilir.”
Kuantum Dolanıklık İçin Gereken Işığın Yeniden Değerlendirilmesi
Bilim insanları geleneksel olarak, foton dolanıklığı için gereken güçlü korelasyonları oluşturmanın uyumlu (koherent) ışık gerektirdiğine inanagelmişlerdir. Uyumlu ışıkta dalgalar senkronize kalır; dalga tepeleri ve çukurları öngörülebilir bir ilişki izler. Bu nedenle, tek bir renk etrafında yoğunlaşmış, yüksek derecede uyumlu ışık ürettikleri için lazerler yaygın olarak kullanılır.
Boyd’un ekibinin daha önceki araştırmaları bu varsayımı sorguladı. Araştırmacılar, uyumsuz (inkoherent) ışığın da kuantum dolanıklığı yaratabileceğini önce teorik olarak öngördüler, ardından deneysel olarak gösterdiler. Uyumsuz ışık üreten bir LED kullanarak, polarizasyon açısından dolanık fotonları başarıyla elde ettiler.
Bu çalışma, dolanıklık oluşturmak için ışığın her açıdan düzenli olması gerekmediğini ortaya koydu. Örneğin fotonlar düzensiz yönlerde ilerlerken, polarizasyon gibi başka bir özellik aracılığıyla yine de dolanık hale gelebilirler.
*Optica* dergisinde yayımlanan yeni çalışma, LED yerine güneş ışığı kullanarak bu kavramı bir adım öteye taşıyor. Güneş ışığı daha büyük bir zorluk teşkil ediyor; çünkü birçok yöne yayılıyor ve geniş bir renk yelpazesi barındırıyor.
Güneş Işığından Dolanık Fotonlar Elde Etmek
Dolanıklık oluşturmak amacıyla araştırmacılar, doğrusal olmayan (nonlineer) bir kristal içeren ve yerleşik bir optik süreç olan “kendiliğinden parametrik aşağı dönüşüm” (SPDC) yöntemini kullandılar. Bir pompa ışını kristalle etkileşime girdiğinde, tekil fotonlar kuantum dolanıklığına girebilecek çiftlere ayrılabiliyor.
Normalde pompa ışını bir lazerden sağlanır. Bu deneyde ise ekip, uzay ve zaman genelinde yüksek derecede uyumsuz kalırken güçlü bir şekilde polarize edilmiş güneş ışığını kullandı. Bu durum, farklı yollar boyunca ilerleyen birçok renkteki fotonu barındırmasına rağmen, genel ışık alanının aynı yönde salınım yaptığı anlamına geliyordu.
Li, “Deneysel kurulumumuzu, farklı renklerin ve yayılım yönlerinin yarattığı farklılıkların fotonların polarizasyonunu etkilemeyeceği şekilde tasarladık,” dedi. “Teorimizin öngördüğü üzere, eğer dolanıklık yalnızca polarizasyon düzeyinde gerçekleşiyorsa, bu durum pompa ışınının yönüne veya rengine değil, yalnızca salınım yönündeki düzenliliğine bağlı olmalıdır. Bu yaklaşım, uzamsal ve zamansal açıdan yüksek derecede uyumsuz olan güneş ışığından yüksek kaliteli polarizasyon dolanıklığı elde etmemizi sağladı.”
Güneş Işığını Küçücük Bir Kristal Üzerine Odaklamak
Önemli bir pratik zorluk, yeterli miktarda güneş ışığını sadece birkaç milimetre boyutundaki doğrusal olmayan (nonlineer) bir kristal üzerine yoğunlaştırmaktı.
Bu sorunun üstesinden gelmek için MPL’deki Fattahi’nin ekibi, tamamen camdan oluşan bir güneş ışığı yoğunlaştırıcı geliştirdi. Koni şeklindeki bu cihaz, kabaca bir ev penceresi büyüklüğündeki bir Fresnel merceği tarafından toplanan güneş ışığını alıyor ve insan saçı inceliğindeki bir optik fibere yönlendiriyor. Buradan itibaren yoğunlaştırılmış ışık, kuantum dolanıklığı oluşturmaktan sorumlu olan o küçücük doğrusal olmayan kristal üzerine odaklanabiliyor.
Güneş Işığına Dayalı Dolanıklığı Test Etmek
Araştırmacılar, geliştirdikleri yöntemi MPL’de açık havada yapılan bir deneyle test ettiler. Kurulumun ürettiği kuantum durumunu analiz etmek için kuantum durum tomografisi yöntemini kullandılar ve güneş ışığından elde edilen dolanıklığın, mükemmel bir dolanıklık durumuna yaklaşık %94 oranında benzerlik gösterdiğini tespit ettiler.
Fotonlar ayrıca Bell eşitsizliğini ihlal eden korelasyonlar sergiledi. Klasik fizikle açıklanamayan bu tür korelasyonlar, fotonların gerçekten kuantum dolanıklığı içinde olduğuna dair kanıt oluşturdu.
İlke kanıtının ortaya konmasıyla birlikte araştırmacılar, nihayetinde laboratuvar ortamı dışında da kullanılabilecek bir sistem üzerinde çalışmaya başladılar. Bir sonraki hedefleri arasında sistemin parlaklığını artırmak ve ürettiği dolanıklığın kalitesini iyileştirmek yer alıyor.
Araştırmacılar ayrıca bu konseptin SPDC (Kendiliğinden Parametrik Aşağı Dönüşüm) yönteminin ötesine geçebileceğini belirtiyor. Dört dalga karışımı (four-wave mixing) dahil olmak üzere diğer doğrusal olmayan optik tekniklerde de benzer yaklaşımlar kullanılabilir ve bu durum kuantum fotoniği alanında yeni olanaklar yaratabilir.
Başlangıçta Şüpheyle Karşılanan Bir Kuantum Fikri
Araştırmacılar, projenin başlangıçta önemli ölçüde şüpheyle karşılandığını ifade ediyor; çünkü güneş ışığı, yararlı kuantum etkileri üretmek için pek de olası bir kaynak gibi görünmüyordu.
Li, “Bu projenin başlangıcından itibaren fikrimiz defalarca şüphe ve itirazla karşılaştı,” dedi. “Alanında dünyaca ünlü bazı araştırmacılar, güneş ışığıyla tetiklenen doğrusal olmayan optik süreçlerden —dolanık fotonları bir yana bırakın— herhangi bir foton tespit etmenin mümkün olup olmadığını bile sorguladılar. Ancak biz hesaplamalarımıza güvendik, deneysel kurulumu geliştirmeye devam ettik ve sonunda bunun mümkün olduğunu gösterdik.”
Kaynak: https://scitechdaily.com