Ben Turner
Google ile ortaklaşa çalışan araştırmacılar, teknoloji devinin sahip olduğu kuantum bilgisayarını ‘zaman kristali’ ismi verilen tam manasıyla yeni bir husus aşaması/hali oluşturmak için kullanmış olabilirler. Güç kaybetmeden iki durum [maddenin hali] içinde sonsuza dek bir döngü yaratabilme marifetini barındıran vakit kristalleri, fiziğin en önemli maddelerinden birinin -kapalı bir sistemdeki bozulmanın ya da ‘entropinin’ sürekli artması gerektiğini vurgulayan termodinamiğin ikinci yasasının- etrafından dolanıyor. Anlaşılması güç olan bu vakit kristalleri daima bir akış halinde var bulunmasına rağmen, rastgele bir rastgeleliğe giden çözünmeye direnerek kararlı kalıyorlar.
GOOGLE’IN KUANTUM İŞLEMCİSİ KULLANARAK YARATILDI
28 Temmuz’da arXiv isimli ön baskı bilgi tabanına yollanan bir araştırma makalesinde aktarıldığı kadarıyla, bilim insanları, Google’ın Sycamore isimli kuantum işlemcisinin çekirdeğindeki ‘kubitleri’ (kuantum hesaplamadaki klâsik bilgisayar bitinin bir türünü) kullanmak yoluyla, yaklaşık 100 saniyelik bir vakit diliminde vakit kristali oluşturmayı başardılar.
Bu garip yeni husus evresinin mevcudiyeti ve ortaya koyduğu tam manasıyla yeni fizikî davranış alanı, bilhassa de vakit kristallerinin var olabileceği fikri sırf dokuz yıl evvel ortaya atıldığından, fizikçiler açısından inanılmaz derecede heyecan verici. Çalışmaya dahil olmayan ve İngiltere’deki Birmingham Üniversitesi’nde misyon yapan fizikçi Curt von Keyserlingk, Live Science mecmuasında verdiği demeçte, “Bu büyük bir sürprizdi” diyor: “30, 20, hatta tahminen 10 yıl evvel birine sorsaydınız, bu kararı beklemezdi.”
Fizikçilerin gözünde vakit kristalleri büyüleyici objelerdir; çünkü, fizikteki en sert maddelerden biri olan termodinamiğin ikinci yasasını hakikaten de atlatırlar. [Bu yasa] Entropinin (bir sistemdeki bozunma/düzensizlik ölçüsünü simgeleyen bir terim) her vakit arttığını tabir eder. Şayet daha sistemli bir şey yaratmak istiyorsanız, daha fazla güç harcamanız gereklidir.
ENTROPİYE MEYDAN OKUYAN PARÇACIK
Bu düzensizliğin artma eğilimi, eldeki materyalleri bir karışıma eklemenin niye onları tekrar birbirinden ayırmaktan daha kolay olduğu ya da kulaklık kablolarının niye pantolon ceplerinde bu kadar karıştığı üzere biroldukca olguyu açıklar. tıpkı vakitte, geçmişteki kainatın ebediyen şimdiki vakitten daha sistemli olduğu vakit okunu da belirler; örneğin, bir görüntüyü aksine izlemek garip görünebilir; zira bu entropik akışın mantık dışı formda bilakis dönüşüne şahit olursunuz.
Vakit kristalleri ise bu kurala uymaz. Ağır ağır termal istikrara yaklaşmak, yani güçleri ya da sıcaklıkları etraflarına gerçek eşit olarak dağıtılacak halde ‘termalleşmek’ yerine, bu istikrar halinin üstündeki iki güç durumu içinde sıkışıp kalırlar ve bunların içinde daima formda ileri geri çevrime girerler.
Von Keyserlingk, bu davranışın nasıl da olağandışı olduğunu açıklamak için, milyonlarca sefer çalkalanmadan evvel madeni paralarla dolu mühürlü bir kutuyu hayal ettiğini söylüyor. Madeni paralar birbirleriyle çarpışıp zıpladıkça ve sektikçe, sarsıntı duruncaya kadar “keşfedebilecekleri her cinsten duruşu keşfederek gitgide daha kaotik hale gelirler” ve madeni paraları rastgele bir düzenleme ortasında, kabaca yarısı üst ve yarısı aşağı bakacak biçimde durdurmak için kutu açılır. Birinci düzenleme halimizden bağımsız olarak, kutudaki paraları bu rastgele, yarısı üst, yarısı aşağı bakacak biçimde görmeyi bekleyebiliriz.
Google’ın Sycamore sisteminin ‘kutusunun’ ortasındayken, kuantum işlemcinin kubitlerini örnekteki madeni paralarımız üzere gorebiliriz. Madeni paralar yazı ya da tipe olabilecekleri üzere, kubitler de -iki durumlu bir sistemdeki iki olası pozisyon olan- ya ‘1’ ya da ‘0’ olabilir yahut ‘süperpozisyon’ ismi verilen, her iki durumla ilgili olasılıkların garip bir karışımı halinde olabilirler. Von Keyserlingk’in aktardığı kadarıyla, vakit kristalleriyle ilgili tuhaf olan şey, hiç bir sarsıntı seviyesinin ya da bir durumdan başkasına geçiş yapmanın, vakit kristalinin kubitlerini rastgele bir düzenleme olan en düşük güç durumuna taşıyamaması; sadece başlangıç durumundan ikinci duruma, akabinde tekrar geri dönebiliyorlar.
SONSUZ BİR DÖNGÜDEKİ SARKAÇ ÜZERE
Von Keyserlingk, “özetlemek gerekirse pinpon topu üzere bir şey” diyor: “Neticede, rastgele üzere görünmüyor, sırf [iki durum içinde] sıkışıp kalıyor. Güya başlangıçta neye benzediğini hatırlıyor ve vakit içinde bu kalıbı yinelıyor.”
Bu manada, bir vakit kristali, sallanmayı hiç bırakmayan bir sarkaca benziyor.
İngiltere’de bulunan Loughborough Üniversitesi’nde fizikçi ve 2015’te bu yeni basamağın teorik mümkünlüğünü birinci keşfeden bilim insanları içinde olan Achilleas Lazarides, Live Science’a verdiği demeçte, şöyleki diyor: “Bir sarkacı sürtünme ve hava direncinin olmadığı formda cihandan fizikî olarak tam manasıyla yalıtsanız dahi, en nihayetinde durur. Ve bu durum, termodinamiğin ikinci maddesinden kaynaklanır. Güç, sarkacın kütle merkezinde ağırlaşmaya başlar fakat -atomların bir çubuğun ortasında titreşebileceği yollar gibi- tüm bu içsel hürlük dereceleri en nihayetinde içine aktarılacaktır.”
İşin gerçeği, büyük ölçekli bir objenin mantıksız görünmeksizin bir vakit kristali üzere davranmasının bir yolu mevcut değildir; çünkü vakit kristallerinin var olmasını sağlayan yegâne kural, çok derecede küçük olan kuantum mekaniğinin dünyasına taraf veren ürkütücü ve gerçeküstü kurallardır.
Kuantum dünyasında, objeler birebir anda hem nokta halindeki parçacıklar birebir vakitte küçük dalgalar üzere davranırlar; bu dalgaların rastgele bir uzay bölgesindeki büyüklüğü, o yerde bir parçacık bulunması ihtimalini temsil eder. Buna rağmen, (bir kristalin yapısında bulunan rastgele kusurlar ya da kubitler içindeki etkileşim kuvvetlerinde programlanmış bir rastgeleliğe benzer) rastgelelik, bir parçacığın mümkünlük dalgasının kendisini fazlaca küçük bir bölge haricinde her yerde ortadan kaldırmasına yol açabilir. Yerinde kök salmış, hareket edemeyen, durumunu değiştiremeyen ya da etrafıyla termalleşemeyen parçacık, belli bir yerde lokalize hale gelir [yerelleşir].
DENEYLER MUVAFFAKİYETE ULAŞTI
Araştırmacılar, deneylerinde temel olarak bu yerelleştirme sürecini kullandılar. Bilim insanları, kubitler için 20 üstün iletken alüminyum şeridi kullanarak, her birini iki mümkün durumdan birine programladılar. sonrasındasında, şeritler üzerinde bir mikrodalga ışını patlatarak, kubitleri durumları aksine çevirmek maksadıyla kullanabildiler; araştırmacılar birebir deneyi on binlerce sefer daha bir dahalediler ve kubitlerin bulunduğu durumları kaydetmek emeliyle farklı noktalarda durdular. Ulaştıkları sonuç, kubit kümelerinin sadece iki düzenleme içinde ileri-geri gidip geldiğiydi ve ayrıyeten kubitler mikrodalga ışınından gelen ısıyı emmiyorlardı; sonunda bir vakit kristali yaratmışlardı.
tıpkı vakitte, vakit kristallerinin, unsurun bir evresi olduğuna ait önemli bir ipucuna rastladılar. Bir şeyin bir faz olarak kabul edilebilmesi için, dalgalanmalar karşısında genelde fazlaca kararlı olması gerekir. Etraflarındaki sıcaklıklar biraz değiştiğinde katı objeler erimez; yavaşça dalgalanmalar da sıvıların aniden buharlaşmasına ya da donmasına sebep olmaz. Tıpkı biçimde, şayet kubitleri durumlar içinde çevirmek gayesiyle kullanılan mikrodalga ışını, kusursuz bir çevrim için gereken tam 180 dereceye yakın lakin biraz uzağında olacak formda ayarlanırsa, kubitler bir daha de öteki duruma çevrilir.
Lazarides, “Şayet kesin halde 180 derecede değilseniz, onları dönüştüreceğiniz durum bu değildir” diyor: “Küçük yanılgılar yapıyor olsanız bile, [zaman kristali] sihirli bir biçimde sürekli size biraz ipucu verir.”
Bir evreden bir diğerine geçmenin bir öteki ayırt edici özelliği, fizikî simetrilerin kırılmasının, fizik maddelerinin vakit yahut uzayın rastgele bir noktasında her obje için tıpkı olduğu fikridir. Sıvı biçimdeyken suda bulunan moleküller uzaydaki her noktada ve her istikamette birebir fizikî kanunları izler; ancak suyu buza dönüşecek seviyede soğutursanız, molekülleri, kendilerini düzenlemek için bir kristal yapı yahut kafes biçiminde nizamlı noktalar seçer. Birden teğe, su molekülleri uzayda işgal edilecek kimi noktaları tercih eder ve öbür noktaları boş bırakırlar; suyun uzamsal simetrisi bizatihi bozulur.
Buzun uzamsal simetriden koparak uzayda bir kristal haline gelmesine benzeri biçimde, vakit kristalleri de vakit simetrisinden koparak vakit ortasında kristalleşir. Başlangıçta, vakit kristali fazına dönüşmedilk evvel, kubit dizisi vakit ortasındaki tüm anlar içinde daima bir simetri yaşar. birebir vakitte, mikrodalga ışınının periyodik döngüsü, kubitlerin sahip olduğu durağan şartları farklı paketlere böler (ışın tarafınca uygulanan simetriyi başka bir zaman-dönüşüm simetrisi haline getirir). daha sonrasında, kubitler ışının dalga uzunluğunun iki katı dönemde ileri-geri çevrilerek, lazer tarafınca uygulanan ayrık vakit çeviri simetrisi aracığıyla birbirinden ayrılır. Onlar, bunu yapabildiğini bildiğimiz birinci objelerdir.
Tüm bu gariplik, vakit kristallerini yeni fizik açısından verimli hale getirir ve Sycamore sisteminin diğer deher neysel kurulumların ötesinde araştırmacılara sağladığı denetim, onu daha hayli araştırma için kusursuz bir platform haline getirebilir. bir daha de bu, daha fazla geliştirilemeyeceği manasına gelmez. Bütün kuantum sistemlerinde olduğu üzere, Google’ın kuantum bilgisayarının kubitlerinin de sonuçta kuantum lokalizasyon tesirlerini parçalayarak vakit kristalini yok eden ‘uyumsuzlaşma’ ismi verilen bir müddetçten geçmesini önlemek için, etrafından tam manasıyla yalıtılması gerekir. Araştırmacılar, işlemcilerini daha güzel yalıtmanın ve uyumsuzlaşmanın tesirini azaltmanın yollarını bulmaya çalışıyorlar; buna rağmen, etkiyi sonsuza dek ortadan kaldırmaları pek mümkün görünmüyor.
Yazının özgünü Live Science sitesinden alınmıştır. (Çeviren: Tarkan Tufan)
Google ile ortaklaşa çalışan araştırmacılar, teknoloji devinin sahip olduğu kuantum bilgisayarını ‘zaman kristali’ ismi verilen tam manasıyla yeni bir husus aşaması/hali oluşturmak için kullanmış olabilirler. Güç kaybetmeden iki durum [maddenin hali] içinde sonsuza dek bir döngü yaratabilme marifetini barındıran vakit kristalleri, fiziğin en önemli maddelerinden birinin -kapalı bir sistemdeki bozulmanın ya da ‘entropinin’ sürekli artması gerektiğini vurgulayan termodinamiğin ikinci yasasının- etrafından dolanıyor. Anlaşılması güç olan bu vakit kristalleri daima bir akış halinde var bulunmasına rağmen, rastgele bir rastgeleliğe giden çözünmeye direnerek kararlı kalıyorlar.
GOOGLE’IN KUANTUM İŞLEMCİSİ KULLANARAK YARATILDI
28 Temmuz’da arXiv isimli ön baskı bilgi tabanına yollanan bir araştırma makalesinde aktarıldığı kadarıyla, bilim insanları, Google’ın Sycamore isimli kuantum işlemcisinin çekirdeğindeki ‘kubitleri’ (kuantum hesaplamadaki klâsik bilgisayar bitinin bir türünü) kullanmak yoluyla, yaklaşık 100 saniyelik bir vakit diliminde vakit kristali oluşturmayı başardılar.
Bu garip yeni husus evresinin mevcudiyeti ve ortaya koyduğu tam manasıyla yeni fizikî davranış alanı, bilhassa de vakit kristallerinin var olabileceği fikri sırf dokuz yıl evvel ortaya atıldığından, fizikçiler açısından inanılmaz derecede heyecan verici. Çalışmaya dahil olmayan ve İngiltere’deki Birmingham Üniversitesi’nde misyon yapan fizikçi Curt von Keyserlingk, Live Science mecmuasında verdiği demeçte, “Bu büyük bir sürprizdi” diyor: “30, 20, hatta tahminen 10 yıl evvel birine sorsaydınız, bu kararı beklemezdi.”
Fizikçilerin gözünde vakit kristalleri büyüleyici objelerdir; çünkü, fizikteki en sert maddelerden biri olan termodinamiğin ikinci yasasını hakikaten de atlatırlar. [Bu yasa] Entropinin (bir sistemdeki bozunma/düzensizlik ölçüsünü simgeleyen bir terim) her vakit arttığını tabir eder. Şayet daha sistemli bir şey yaratmak istiyorsanız, daha fazla güç harcamanız gereklidir.
ENTROPİYE MEYDAN OKUYAN PARÇACIK
Bu düzensizliğin artma eğilimi, eldeki materyalleri bir karışıma eklemenin niye onları tekrar birbirinden ayırmaktan daha kolay olduğu ya da kulaklık kablolarının niye pantolon ceplerinde bu kadar karıştığı üzere biroldukca olguyu açıklar. tıpkı vakitte, geçmişteki kainatın ebediyen şimdiki vakitten daha sistemli olduğu vakit okunu da belirler; örneğin, bir görüntüyü aksine izlemek garip görünebilir; zira bu entropik akışın mantık dışı formda bilakis dönüşüne şahit olursunuz.
Vakit kristalleri ise bu kurala uymaz. Ağır ağır termal istikrara yaklaşmak, yani güçleri ya da sıcaklıkları etraflarına gerçek eşit olarak dağıtılacak halde ‘termalleşmek’ yerine, bu istikrar halinin üstündeki iki güç durumu içinde sıkışıp kalırlar ve bunların içinde daima formda ileri geri çevrime girerler.
Von Keyserlingk, bu davranışın nasıl da olağandışı olduğunu açıklamak için, milyonlarca sefer çalkalanmadan evvel madeni paralarla dolu mühürlü bir kutuyu hayal ettiğini söylüyor. Madeni paralar birbirleriyle çarpışıp zıpladıkça ve sektikçe, sarsıntı duruncaya kadar “keşfedebilecekleri her cinsten duruşu keşfederek gitgide daha kaotik hale gelirler” ve madeni paraları rastgele bir düzenleme ortasında, kabaca yarısı üst ve yarısı aşağı bakacak biçimde durdurmak için kutu açılır. Birinci düzenleme halimizden bağımsız olarak, kutudaki paraları bu rastgele, yarısı üst, yarısı aşağı bakacak biçimde görmeyi bekleyebiliriz.
Google’ın Sycamore sisteminin ‘kutusunun’ ortasındayken, kuantum işlemcinin kubitlerini örnekteki madeni paralarımız üzere gorebiliriz. Madeni paralar yazı ya da tipe olabilecekleri üzere, kubitler de -iki durumlu bir sistemdeki iki olası pozisyon olan- ya ‘1’ ya da ‘0’ olabilir yahut ‘süperpozisyon’ ismi verilen, her iki durumla ilgili olasılıkların garip bir karışımı halinde olabilirler. Von Keyserlingk’in aktardığı kadarıyla, vakit kristalleriyle ilgili tuhaf olan şey, hiç bir sarsıntı seviyesinin ya da bir durumdan başkasına geçiş yapmanın, vakit kristalinin kubitlerini rastgele bir düzenleme olan en düşük güç durumuna taşıyamaması; sadece başlangıç durumundan ikinci duruma, akabinde tekrar geri dönebiliyorlar.
SONSUZ BİR DÖNGÜDEKİ SARKAÇ ÜZERE
Von Keyserlingk, “özetlemek gerekirse pinpon topu üzere bir şey” diyor: “Neticede, rastgele üzere görünmüyor, sırf [iki durum içinde] sıkışıp kalıyor. Güya başlangıçta neye benzediğini hatırlıyor ve vakit içinde bu kalıbı yinelıyor.”
Bu manada, bir vakit kristali, sallanmayı hiç bırakmayan bir sarkaca benziyor.
İngiltere’de bulunan Loughborough Üniversitesi’nde fizikçi ve 2015’te bu yeni basamağın teorik mümkünlüğünü birinci keşfeden bilim insanları içinde olan Achilleas Lazarides, Live Science’a verdiği demeçte, şöyleki diyor: “Bir sarkacı sürtünme ve hava direncinin olmadığı formda cihandan fizikî olarak tam manasıyla yalıtsanız dahi, en nihayetinde durur. Ve bu durum, termodinamiğin ikinci maddesinden kaynaklanır. Güç, sarkacın kütle merkezinde ağırlaşmaya başlar fakat -atomların bir çubuğun ortasında titreşebileceği yollar gibi- tüm bu içsel hürlük dereceleri en nihayetinde içine aktarılacaktır.”
İşin gerçeği, büyük ölçekli bir objenin mantıksız görünmeksizin bir vakit kristali üzere davranmasının bir yolu mevcut değildir; çünkü vakit kristallerinin var olmasını sağlayan yegâne kural, çok derecede küçük olan kuantum mekaniğinin dünyasına taraf veren ürkütücü ve gerçeküstü kurallardır.
Kuantum dünyasında, objeler birebir anda hem nokta halindeki parçacıklar birebir vakitte küçük dalgalar üzere davranırlar; bu dalgaların rastgele bir uzay bölgesindeki büyüklüğü, o yerde bir parçacık bulunması ihtimalini temsil eder. Buna rağmen, (bir kristalin yapısında bulunan rastgele kusurlar ya da kubitler içindeki etkileşim kuvvetlerinde programlanmış bir rastgeleliğe benzer) rastgelelik, bir parçacığın mümkünlük dalgasının kendisini fazlaca küçük bir bölge haricinde her yerde ortadan kaldırmasına yol açabilir. Yerinde kök salmış, hareket edemeyen, durumunu değiştiremeyen ya da etrafıyla termalleşemeyen parçacık, belli bir yerde lokalize hale gelir [yerelleşir].
DENEYLER MUVAFFAKİYETE ULAŞTI
Araştırmacılar, deneylerinde temel olarak bu yerelleştirme sürecini kullandılar. Bilim insanları, kubitler için 20 üstün iletken alüminyum şeridi kullanarak, her birini iki mümkün durumdan birine programladılar. sonrasındasında, şeritler üzerinde bir mikrodalga ışını patlatarak, kubitleri durumları aksine çevirmek maksadıyla kullanabildiler; araştırmacılar birebir deneyi on binlerce sefer daha bir dahalediler ve kubitlerin bulunduğu durumları kaydetmek emeliyle farklı noktalarda durdular. Ulaştıkları sonuç, kubit kümelerinin sadece iki düzenleme içinde ileri-geri gidip geldiğiydi ve ayrıyeten kubitler mikrodalga ışınından gelen ısıyı emmiyorlardı; sonunda bir vakit kristali yaratmışlardı.
tıpkı vakitte, vakit kristallerinin, unsurun bir evresi olduğuna ait önemli bir ipucuna rastladılar. Bir şeyin bir faz olarak kabul edilebilmesi için, dalgalanmalar karşısında genelde fazlaca kararlı olması gerekir. Etraflarındaki sıcaklıklar biraz değiştiğinde katı objeler erimez; yavaşça dalgalanmalar da sıvıların aniden buharlaşmasına ya da donmasına sebep olmaz. Tıpkı biçimde, şayet kubitleri durumlar içinde çevirmek gayesiyle kullanılan mikrodalga ışını, kusursuz bir çevrim için gereken tam 180 dereceye yakın lakin biraz uzağında olacak formda ayarlanırsa, kubitler bir daha de öteki duruma çevrilir.
Lazarides, “Şayet kesin halde 180 derecede değilseniz, onları dönüştüreceğiniz durum bu değildir” diyor: “Küçük yanılgılar yapıyor olsanız bile, [zaman kristali] sihirli bir biçimde sürekli size biraz ipucu verir.”
Bir evreden bir diğerine geçmenin bir öteki ayırt edici özelliği, fizikî simetrilerin kırılmasının, fizik maddelerinin vakit yahut uzayın rastgele bir noktasında her obje için tıpkı olduğu fikridir. Sıvı biçimdeyken suda bulunan moleküller uzaydaki her noktada ve her istikamette birebir fizikî kanunları izler; ancak suyu buza dönüşecek seviyede soğutursanız, molekülleri, kendilerini düzenlemek için bir kristal yapı yahut kafes biçiminde nizamlı noktalar seçer. Birden teğe, su molekülleri uzayda işgal edilecek kimi noktaları tercih eder ve öbür noktaları boş bırakırlar; suyun uzamsal simetrisi bizatihi bozulur.
Buzun uzamsal simetriden koparak uzayda bir kristal haline gelmesine benzeri biçimde, vakit kristalleri de vakit simetrisinden koparak vakit ortasında kristalleşir. Başlangıçta, vakit kristali fazına dönüşmedilk evvel, kubit dizisi vakit ortasındaki tüm anlar içinde daima bir simetri yaşar. birebir vakitte, mikrodalga ışınının periyodik döngüsü, kubitlerin sahip olduğu durağan şartları farklı paketlere böler (ışın tarafınca uygulanan simetriyi başka bir zaman-dönüşüm simetrisi haline getirir). daha sonrasında, kubitler ışının dalga uzunluğunun iki katı dönemde ileri-geri çevrilerek, lazer tarafınca uygulanan ayrık vakit çeviri simetrisi aracığıyla birbirinden ayrılır. Onlar, bunu yapabildiğini bildiğimiz birinci objelerdir.
Tüm bu gariplik, vakit kristallerini yeni fizik açısından verimli hale getirir ve Sycamore sisteminin diğer deher neysel kurulumların ötesinde araştırmacılara sağladığı denetim, onu daha hayli araştırma için kusursuz bir platform haline getirebilir. bir daha de bu, daha fazla geliştirilemeyeceği manasına gelmez. Bütün kuantum sistemlerinde olduğu üzere, Google’ın kuantum bilgisayarının kubitlerinin de sonuçta kuantum lokalizasyon tesirlerini parçalayarak vakit kristalini yok eden ‘uyumsuzlaşma’ ismi verilen bir müddetçten geçmesini önlemek için, etrafından tam manasıyla yalıtılması gerekir. Araştırmacılar, işlemcilerini daha güzel yalıtmanın ve uyumsuzlaşmanın tesirini azaltmanın yollarını bulmaya çalışıyorlar; buna rağmen, etkiyi sonsuza dek ortadan kaldırmaları pek mümkün görünmüyor.
Yazının özgünü Live Science sitesinden alınmıştır. (Çeviren: Tarkan Tufan)