Kuantum mekaniğinin doğasında olan belirsizlik, fizikçilerin uzun süredir kuantum seviyesinde yaptığımız gözlemlerin gerçeği yansıtıp yansıtmadığını merak etmesine neden oldu.
Bir kuantum nesnesinin dalga fonksiyonu yalnızca matematiksel bir yapı olmayabilir
Kuantum mekaniği gerçekten doğayı en gerçek haliyle mi yansıtıyor, yoksa bu sadece bizim çok küçüklerin tuhaf özelliklerini tanımlamanın kesin olmayan bir yolu mu? Bu soruyu yanıtlamaya yardımcı olabilecek ünlü bir test şimdi bir kuantum bilgisayarda denendi ve şaşırtıcı derecede somut bir sonuca varıldı. Kuantum mekaniği, en azından küçük kuantum cihazları için gerçekliği tam olarak tanımlıyor ve sonuçlar, daha iyi ve daha güvenilir kuantum makineleri oluşturmamıza yardımcı olabilir.
Kuantum mekaniğinin ilk kez bir asırdan fazla bir süre önce keşfedilmesinden bu yana, belirsiz ve olasılıksal doğası fizikçileri rahatsız etti. Örneğin bir süperpozisyonu ele alalım; bir parçacık aslında aynı anda birçok yerde mi yaşıyor, yoksa konumunun hesaplanması bize onun gerçekte nerede olduğuna ilişkin bir dizi olasılık mı veriyor? Eğer ikincisi ise, gerçekliğin kuantum mekaniğine gizlenmiş ve kesinliğimizi sınırlayan bir özelliği olabilir. Böyle bir özellik “gizli değişken” olacaktır ve dolayısıyla bu fikre dayanan teorilere gizli değişken teorileri adı verilmektedir.
1960’larda fizikçi John Bell bu tür teorileri dışlamak için bir deney tasarladı. Bell testi, uzak kuantum parçacıkları çiftlerinin ne kadar bağlantılı veya dolaşmış olduğunu ölçerek kuantumluğu araştırır. Eğer kuantum özellikleri belirli bir eşiğin üzerinde tutulursa – eğer dolaşıklıkları yerel olmayan dediğimiz türdense, herhangi bir mesafeyi kapsıyorsa – o zaman gizli değişken teorilerini devre dışı bırakabiliriz. Bell testleri o zamandan beri birçok kuantum sistemi için denendi ve oybirliğiyle kuantum dünyasının doğası gereği yerel olmaması lehine karar verildi.
2012 yılında fizikçiler Matthew Pusey, Jonathan Barrett ve Terry Rudolph, deneycilerin bir kuantum sisteminin çeşitli yorumları arasında ayrım yapmasına olanak tanıyacak daha da derinlemesine bir test (onlardan sonra PBR olarak adlandırıldı) geliştirdiler. Bunlar arasında, bir kuantum sistemine ve onun dalga fonksiyonuna (kuantum durumlarının matematiksel açıklaması) ilişkin ölçümlerimizin gerçekliği temsil ettiğini söyleyen ontik görüş de yer alıyor. Epistemik görüş olarak adlandırılan başka bir yorum ise bu dalga fonksiyonunun bir serap olduğunu ve altında daha derin, daha zengin bir gerçekliğin bulunduğunu söylüyor.
Kuantum sistemlerinin, dalga fonksiyonunun ötesindeki sistemleri etkileyebilecek başka gizli özelliklere sahip olmadığına inandığınızı varsayarsak, o zaman PBR’nin matematiği, olaylara her zaman ontik bir açıdan bakmanız gerektiğini gösterir; ne kadar tuhaf görünürlerse görünsün, kuantum davranışları gerçektir. PBR testi, bir kuantum bilgisayarın içindeki kübit gibi farklı kuantum elemanlarını karşılaştırarak ve bunların spin gibi bazı özellikler için aynı değeri ne sıklıkta okuduğunu ölçerek çalışır. Eğer epistemik görüş doğru olsaydı, kubitlerinizin aynı değeri okuma sayısı kuantum mekaniğinin öngördüğünden daha yüksek olurdu, bu da altta başka bir şeyin döndüğüne işaret ederdi.
Cambridge Üniversitesi’nden Songqinghao Yang ve meslektaşları, çalışan bir IBM Heron kuantum bilgisayarında PBR testini gerçekleştirmenin bir yolunu geliştirdiler ve az sayıda kübit için kuantum sistemlerinin gerçekten ontik olduğunu söyleyebileceğimizi gördüler. Yani kuantum mekaniği, tıpkı Bell testlerinin defalarca bulduğu gibi, düşündüğümüz gibi çalışıyor gibi görünüyor.
Yang ve ekibi bu kontrolü, 1’ler ve 0’lardan oluşan diziler gibi beş kübitlik çiftler veya gruplar tarafından üretilen genel çıktıyı ölçerek gerçekleştirdi ve bu sonucun, sistemdeki doğal hataları hesaba katarak bir kuantum sisteminin nasıl davranması gerektiğine ilişkin tahminleriyle ne sıklıkla örtüştüğünü hesapladı.
“Şu anda tüm kuantum donanımları gürültülü ve tüm işlemlerde bazı hatalar var; dolayısıyla bu gürültüyü PBR eşiğinin üstüne eklersek, o zaman (sistemimize ilişkin) yorumumuza ne olur?” diyor Yang. “Görünen o ki, eğer deneyi küçük ölçekte yaparsanız, o zaman orijinal PBR testini hâlâ karşılayabiliriz ve epistemik yorumu eleyebiliriz.” Gizli değişkenler yok olsun.
Bunu az sayıdaki kübitler için gösterebilseler de, 156 kübitlik IBM makinesinde daha büyük sayıdaki kübitler için aynı şeyi yapmakta zorlandılar. Sistemdeki gürültü veya hatalar, araştırmacıların PBR testindeki iki senaryoyu birbirinden ayırt edemeyecek kadar büyük hale geldi.
Bu, testin bize dünyanın kuantum olup olmadığını söyleyemediği anlamına geliyor. Bazı ölçeklerde ontik görüş galip gelebilirken, daha büyük ölçeklerde kuantum etkilerinin tam olarak ne yaptığını göremiyoruz.
Bu testi kullanarak bir kuantum bilgisayarın “kuantumluğunu” doğrulayabilmek, bu cihazların bizim düşündüğümüz şeyi yaptığını doğrulamanın bir yolu olabilir, aynı zamanda onların kuantum avantajı (klasik bir bilgisayarın mantıksız miktarda zaman harcayacak bir görevi yerine getirme yeteneği) sergileme olasılığını artırmanın bir yolu olabilir. Cambridge Üniversitesi’nden ekip üyesi Haomu Yuan, “Kuantum avantajına sahip olmak istiyorsanız, kuantum bilgisayarlarınızın içinde kuantumun olması gerekir, yoksa eşdeğer bir klasik algoritma bulabilirsiniz” diyor.
PBR’nin orijinal yazarlarından biri olan İngiltere’deki York Üniversitesi’nden Matthew Pusey, “PBR’yi cihaz performansının ölçütü olarak kullanma fikri ilgi çekici” diyor. Ancak Pusey bunun bize gerçeklik hakkında bir şeyler söylediğinden pek emin değil. “Teoriye güvenmek yerine deneyi yapmanın ana nedeni, kuantum teorisinin yanlış olabileceğini düşünmenizdir. Ama eğer kuantum teorisi yanlışsa, hangi soruyu soruyorsunuz? Ontik ve epistemik durumların tüm kurgusu kuantum teorisini varsayar.”
Bize gerçeklik hakkında bilgi verecek bir PBR testi yapmanın gerçekten bir yolunu bulmak için, bunu kuantum teorisinin doğru olduğunu varsaymadan yapmanın bir yolunu bulmanız gerekir. PBR testinin yaratıcılarından bir diğeri olan Imperial College London’dan Terry Rudolph, “Kuantum fiziğinin bazı mezoskopik ölçekte temelden çökeceğine inanan bir azınlık insan var” diyor. “Bu deney muhtemelen böyle herhangi bir öneriyi göz ardı etmekle alakalı olmasa da (açık olmak gerekirse, öyle ya da böyle bilmiyorum!) kuantum teorisinin temel özelliklerini daha büyük sistemler üzerinde test etmek her zaman alternatif teorilerin araştırma alanını daraltmamıza yardımcı olur.”
Referans: arXiv, DOI: arxiv.org/abs/2510.11213
