Gizli bir kuantum metrolog dünyası, günlük cihazların güvenli ve doğru bir şekilde performans göstermesini sağlar, ancak çalışmalarının asla yapılmaması
Telefon şarj cihazınızın kesin kuantum ölçümlerine ihtiyacı var
Benim gibi bir şeyseniz, neredeyse her zaman akıllı telefonunuzu şarj ediyorsunuz. Fark etmeyebileceğiniz şey, bunu güvenli bir şekilde yapma yeteneğinin, fiziğin son kenarındaki hassas bir kuantum ölçümüne bağlı olduğudur.
Nedenini anlamak için, şarj cihazınızı standart bir çıkışa taktığınızda neler olduğuna bakmamız gerekir. Çıkıştan akan elektrik yüz volttan fazla taşır, ancak şarj cihazı, elektrik telefonunuza ulaştığında, bir düzine taşımak için dönüştürülmüş olacak şekilde tasarlanmıştır. Voltajdaki bu azalma olmasaydı, telefon alev alacaktı.
Başka bir deyişle, tam volt sayısı çok somut bir şekilde önemlidir. Ama tek bir voltun ne olduğunu nasıl bilebiliriz? Ve voltajını bildirirken telefon şarj cihazınızın üreticisine güvenebileceğinizden kim emin olur?
Bu tamamen bilimsel bir soru gibi görünse de, ABD’de Volt, 1904’e tarihlenen ve ülkedeki tüm endüstrilerin hangi farklı birimlerin – volt veya kilogram veya saniye – bunları tutarlı bir şekilde kullanmasını ve kullanmasını sağlamakla görevlendirilen Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) tarafından korunan yasal bir tanıma sahiptir. Diğer birçok ülkenin İngiltere’nin ulusal fiziksel laboratuvarı gibi aynı şeyi yapmak için kendi ulusal metroloji birimi vardır.
Volt söz konusu olduğunda, otuz yılı aşkın bir süredir, NIST’in tanımı bir kuantum cihaza dayanmaktadır. Burada, metrologlar bir dizi süper iletken kavşakla başlar-bir yalıtım malzemesi ile ayrılmış dar süper iletken bölgelerin yaya geçidi benzeri bir düzenlemesi-ve çok spesifik bir frekanslı mikrodalgalarlara maruz bırakırlar. Bu, kavşaklar arasında voltaj farkına neden olan tamamen kuantum bir etkiyi tetikler. Bu farkı oluşturan volt sayısı doğrudan evrenin iki temel sabiti ile ilişkilidir. Bu, araştırmacıların bildiğimiz kadarıyla, bir Volt’un ne olduğunu tanımlamak için fiziksel gerçekliğimizin çok iskele edilmesinin bir kısmından yararlanmasına izin verir.
Özellikle, bu durumda iki sabit, temel bir kuantum parçacığı olan tek bir elektronun yüküdür ve bir fotonun – kuantum bir ışık parçacığı – frekansıyla ilişkilendiren Planck sabitidir. Başka bir deyişle, telefonunuzu kuantum dünyasının en temel bileşenlerine şarj etmenin çizgisi şaşırtıcı derecede kısadır.
Ancak Volt, kuantum aleminde kök salmada yalnız değil. Aslında, 2018’de dünyanın dört bir yanından gelen metrologlar, uluslararası birim sistemindeki (SI birimleri), onları mikroskopik dünyanın ayrıntılarına daha yakından bağlayan birkaç girişi yeniden tanımlamak için oy verdiler.
Bazı birimler için bu değişiklik radikal ve dramatikti. Örneğin, kilogram, resmi olarak sadece nesli tükenmekte olan bir Avrupa keçisinden deri ile cilalanabilen bir platin alaşımı yumru olmaktan, Planck’ın sabiti, ışık hızı ve elektronların belirli bir atom saatinin içinde “işaretlediği” frekansı açısından tanımlanmaya başladı. Son zamanlarda bir doktor ofisinde bir ölçekte adım attıysanız, kuantum fiziğinin orada gördüğünüz sayıya anlamın nasıl atandığının bir parçası olduğu ortaya çıkıyor.
Birimlerin daha kuantum tanımlarına yönelik hareket, son birkaç on yılda dünyamızı en küçük ölçeklerde anlama, kontrol etme ve araştırma konusunda yaptığımız inanılmaz bilimsel ilerlemeleri yansıtır. Örneğin, Ocak ayında, dünyanın en hassas saatlerinden bazılarını inşa etmekle ilgilenen bir araştırmacı olan Colorado Boulder Üniversitesi’nde Alexander Aeppli ile konuştum. “Frekans, insanların şimdiye kadar ölçtüğü en iyi şey, frekansı ölçmede mutlak en iyisiyiz” dedi. Bu saatlerin frekansları, elektronların bir atom içindeki farklı enerjiler arasında ne sıklıkta atladığını, kuantum fiziği yasaları tarafından yönetilen bir süreci yakalar.
Kuantum sistemleri üzerindeki bu dikkate değer kontrol seviyesi ve insanlar kuantum bir şeyde “mutlak en iyisi” olmak, bir saniyenin inanılmaz derecede hassas bir tanımının ötesinde faydalara sahiptir. Örneğin, atom tabanlı saatler, depremler ve yanardağ patlamaları için dünyanın şeklini tam olarak hesaplamada veya belki de yeni nesil erken uyarı sistemlerinde kullanımları bulabilir.
Kuantum gitmek, dünyanın en iyi ölçüm standartlarına erişimi demokratikleştirmeye yardımcı olabilir. SI birimlerinin 2018 yeniden tanımlanmasından önce, cihazlarının doğru ve doğru kalibre edildiğini onaylamak isteyen üreticiler, araştırmacılar ve teknoloji uzmanları, bunları genellikle uzmanların bir sertifika yapacağı yerel Metroloji Enstitüsü’ne göndermek zorunda kaldı. Şimdi, birimlerin sertifikalandırıldığı standartlar, yeterince sofistike bir laboratuvara sahip herkes için esasen kapmak için hazır olan doğanın yönleridir. SI sistemini denetleyen Uluslararası Ağırlık ve Önlemler Bürosu’ndan emekli olan Richard Davis, “Söylediğimiz gibi, fikir kendimizi işten çıkarmaktır” diyor. “Tüm sistem çok daha esnek ve aynı zamanda çok daha az Eurocentric.”
NIST’den Jason Underwood, Ağustos ayında bana “Bu yüzden tüm bu ekipmanlara sahibiz, bu yüzden insanlar bize geliyor. Ama bu yeniden tanımlama, insanların artık bize ekipmanlarını göndermemesi ve onlara nasıl ölçüleceğini öğretmeye çalışıyoruz” dedi. “Şu anda yeni SI altında bu çerçeve var, burada tek yapmaya çalıştığınız tek şey, size evrenin bu temel sabitlerine izlenebilirliği geri verebilecek bir enstrüman yaratmak.”
O ve meslektaşı yakın zamanda Volt dahil olmak üzere üç farklı elektrik ünitesini ölçebilen bir kuantum cihazının prototipini aynı anda ve bina ile uzun vadeli hedeflerinden biri, sonunda NIST binasını terk edebilecek bir şey yapmaktı. Üçüncü sırada bir anlaşma olarak, böyle bir cihaz, eğer gerçekten taşınabilirse, elektronik cihazları ilgili standartlarla karşılaştırmayı çok daha kolay ve daha uygun hale getirecektir.
Tarihsel olarak, birimler hakkında düşünme şeklimiz gittikçe daha fazla kuantum elde ediyor, ancak gelecekleri ne olabilir? Underwood ve meslektaşları gibi elektrik birimleri söz konusu olduğunda, kuantum standardı henüz uluslararası olarak ikinci veya kilogramla aynı şekilde kabul edilmemiştir ve oraya ulaşmak için daha birçok deney yapılmalıdır. AB merkezli Quahmet Konsorsiyumu gibi dünyanın başka yerlerinde de benzer cihazlar geliştirilmektedir.
İkincinin geleceği de akıdadır, çünkü araştırmacılar daha iyi, yeniden tasarlanmış atom tabanlı saatler inşa etmeye çalışırlar ve zamanı nasıl ölçtüğümüzü yeniden tanımlamak için kullanılabileceklerini gösterirler. Nisan ayında, biri Japonya’dan, biri İngiltere’den ve diğeri Almanya’dan, yedekte, kenelerini karşılaştırma misyonuyla birçoğuyla, destansı bir yolculuğa çıkan uluslararası bir araştırmacı ekibine bildirdim. Bu çalışma da devam ediyor, bu yüzden gelecekte kuantum saatleri hakkında daha fazla yazmayı bekliyorum.
Ancak, tanımlarında daha fazla istikrar arayan metrologlara rağmen, metroloji çalışmaları, ulusal finansman politikalarına ve uluslararası diplomasiye yakından bağlı olduğu için doğal olarak dengesizdir. Bu, 1875’te, ilk uluslararası ölçüm kongresindeki delegelerin Fransız-Prusya Savaşı sonrasında Fransa ile Almanya arasındaki siyasi gerilimleri gezmek zorunda kaldıkları doğruydu. Ve bugün geçerli olmaya devam ediyor – NIST’in Ağustos ayında yaptığı çalışmalar hakkında rapor ettiğimde, araştırmacılarla tartışmamın bir kısmı kurumun altyapısı hakkındaydı ve 2023’ün kötüleştiği tespit edildi. Trump yönetimi, bu yılın başlarında NIST için yüzde 43’lük bir bütçe kesintisi bile önerdi. Kongre nihayetinde teklifi reddetti, ancak bölüm metroloji enstitülerinin ulusal siyasetten boşanmanın ne kadar zor olduğunun altını çiziyor.
