Cep telefonlarından kuantum bilgisayarlara: 2025 Nobel Fizik Ödülü tam olarak neye verildi?

2025 Nobel Fizik Ödülü’nü “elektrik devresinde makroskobik kuantum mekaniksel tünelleme ve enerji kuantizasyonunun keşfi”yle John Clarke, Michel Devoret ve John Martinis adlı üç fizikçi aldı.

Ödül, kazananlar arasında eşit olarak paylaştırılacak 11 milyon İsveç Kronu tutarındaki bir hibeyi de içeriyor. Ödülün takdimi ise 10 Aralık’ta Stockholm’de düzenlenecek törende gerçekleşecek.

Ödül, bu sabah İsveç Kraliyet Bilimler Akademisi üyeleri tarafından duyuruldu. Uppsala Üniversitesi’nden ve Nobel Fizik Komitesi başkanı Olle Eriksson, “Günümüzde kuantum mekaniğine dayanmayan hiçbir ileri teknoloji yok” dedi.

Üç fizikçi, kuantum tünellemeyi mikroskobik dünyadan alıp süperiletken çiplere taşıdıkları, böylece fizikçilerin kuantum fiziğini incelemelerine ve nihayetinde kuantum bilgisayarları yaratmalarına olanak sağladıkları için bu ödülün sahibi oldu.

Üçlünün çalışmaları, bilimsel alandaki öneminin yanı sıra, süperiletken devreler kullanan yeni ticari kuantum bilgisayarlarının geliştirilmesinin de önünü açtı.

Clarke, “Cep telefonlarının çalışmasının altında yatan sebeplerden biri de tüm bu çalışmadır” diyor.

KUANTUM DÜNYADA BAMBAŞKA KURALLAR VAR

Kuantum mekaniği, atom altı parçacıkların evrenindeki olguları tanımlıyor. Bu olgular optik bir mikroskopla görülebilecek şeylerden bile çok daha küçük. Yine de sıklıkla “mikroskobik” diye tanımlanıyorlar.

Bu dünya, çok sayıda parçacıktan oluşan makroskobik olgularla tezat oluşturuyor. Atomların üzerindeki “büyük” dünyada bambaşka kurallar ve olgular var.

Örneğin bir topu duvara attığımızda sekip bize geri geleceğini biliriz. Ancak kuantum dünyasında böyle olmak zorunda değildir. Parçacıklar bazen klasik fiziğe göre geçememesi gereken bariyerlerin içinden geçip diğer tarafta belirebilirler. İşte bu olguya tünelleme deniyor.

MAKROSKOBİK ÖLÇEKTE TÜNELLEME

Bu yılki Nobel Fizik Ödülü de kuantum tünellemenin birçok parçacığı içeren makroskobik ölçekte de gözlemlenebileceğini gösteren deneyler için verildi.

1984 ve 1985 yıllarında Clarke, Devoret ve Martinis, Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley’de bir dizi deney gerçekleştirdi.

İki süperiletken (belirli bir sıcaklığın altına düşecek kadar soğutulduğunda elektriği hiç direnç göstermeden ileten maddeler) kullanarak bir elektrik devresi kurdular. Yani bu bileşenler, herhangi bir elektrik direnci olmadan akımı iletebiliyordu. Bunları, hiç akım iletmeyen ince bir malzeme tabakasıyla ayırdılar. Yani, iki süperiletkenin arasında “akım geçmeyen” çok ince bir bariyer vardı.

Süperiletkendeki tüm yüklü parçacıklar, yani elektronlar tek tek değil, toplu hâlde, sanki hepsi tek bir “süper parçacıkmış” gibi hareket ediyordu. Öncelikle deneyler bu olgunun kontrol edilip incelenebileceğini gösterdi.

Deneydeki bu süper parçacık, devrenin içinde bir enerji çukuruna sıkışmış durumdaydı. Burada akıma rağmen gerilim (voltaj) yoktu ki buna “sıfır voltaj durumu” deniyor. Klasik fiziğe göre süper parçacığın bu durumdan çıkması imkânsızdı, çünkü yeterli enerjisi yoktu. Ama burada kuantum tünelleme devreye girdi. Bu süper parçacık, enerji bariyerini “delerek” o durumdan kaçabiliyordu. Yani tünelleme yaparak sıfır voltaj durumundan çıkıyor ve bir voltaj oluşuyordu.

Böylece kuantum tünellemenin dev bir sistemde bile gerçekleşebildiği gösterilmiş oldu.

Bunu daha iyi anlamak için çukurdaki bir top hayal edilebilir. Normalde top, çukurun kenarını aşmak için yeterli enerjiye sahip değilse orada kalır. Ama kuantum dünyasında topun kenarların içinden geçip diğer tarafa “ışınlanma” şansı var.

Bu deney, kuantum tünellemenin sadece tek atom veya elektron gibi küçük parçacıklarda değil, birçok parçacığın birlikte davrandığı büyük sistemlerde (makroskobik ölçekte) de gerçekleştiğini göstermek için yapıldı.

BU ÇALIŞMALAR NE İŞE YARADI?

Tek tek parçacıkların tünelleme yeteneği iyi biliniyordu. 1928’de fizikçi George Gamow, bazı ağır atom çekirdeklerinin belirli bir şekilde bozunma eğilimi göstermesinin nedeninin tünelleme olduğunu fark etmişti.

Nobel Ödülü alan üç fizikçinin tüm bu süreci ortaya çıkardıkları deneyler ise 1960’larda başladı.

Bu çalışmalar, kuantum bilgisayarların temeli olan süperiletken devrelerin geliştirilmesinin yolunu açtı.

Bunun yanı sıra süperiletken sensörler ve manyetometrelerin temelinde de bu süreç var. Bunlar bugün kalp ve beyin aktivitelerindeki zayıf manyetik alanları ölçmek için tıpta (örneğin MEG – Magnetoensefalografi cihazlarında) kullanılıyor. Ayrıca jeofizikte, yeraltı manyetik alan değişimleri bu şekilde ölçülüyor ve malzeme biliminde ultra küçük manyetik sinyaller böylece tespit ediliyor.

Çalışmalar maglev trenleri (manyetik levitasyonlu trenler), hastanelerdeki MRI cihazları ve parçacık hızlandırıcıların geliştirilmesiyle de ilintili.

Aslında cep telefonlarının kalbinde de bu kavramların dolaylı etkisi var. Ama fark şu: Telefonlar doğrudan süperiletken kullanmıyor, ama bu araştırmaların temeli üzerine inşa edilen teknolojileri kullanıyorlar.

Örneğin her bir işlemcinin içinde kuantum tünelleme olasılıkları göz önünde bulundurularak tasarlanmış yapılar mevcut.