Schrödinger’ın kedisinin geldiği yer – ve neden şişmanlaşıyor

Schrödinger mecazi kedisini “oldukça saçma” olarak adlandırdı, ancak temsil ettiği kuantum tuhaflığı kuantum bilgi işlem endüstrisi için yararlı bir ölçüt haline geldi, kuantum köşe yazarımızı buluyor Karmela Padavic-Callaghan

Birkaç hafta önce, kuantum bilgisayarlarından birinde yaptıkları bir Schrödinger’ın kedisi hakkında bilgi edinmek için IBM’den iki araştırmacı ile bir dizüstü bilgisayarın üzerine toplanmıştım. Büyük biriydi – yeterince büyük, öğrendim, bilgisayarlarının dikkat etmeye değer olduğuna dair kanıt olarak düşünülüyordu.

Şimdi, bu elbette pençe ve bıyık içeren gerçek bir kedi değildi, ama kubit adı verilen küçük süper iletken devrelerden yapılmış mecazi bir kedi. Kuantum fizikçileri bu dili her zaman kullanıyor ve hayvanı Erwin Schrödinger’ın 1935’te yazdığı ünlü düşünce deneyinden atıfta bulunuyor.

Schrödinger bir kedi hakkında bir kağıt yazmak için değil, “kuantum mekaniğindeki mevcut durum” hakkında bir kağıt yazmak için yola çıktı. Bu durum, süperpozisyonlar adı verilen durumların benzersiz kuantum kombinasyonlarının nasıl yorumlanacağı konusunda el ele tutuşuyordu. Elektron gibi bir kuantum nesnesi iki durumun üst üste binmesi durumunda, hangilerinin gerçekleri doğrudan ölçmeden yansıttığını söylemek imkansızdır.

Kedi burası devreye giriyor. Schrodinger’ın düşünce deneyinde, bir kedi çelik bir odada, hayatta kalma şansının yüzde 50’si ve bir “şeytani cihaz” ın onu öldürme şansının yüzde 50’si olduğu bir çelik odada sınırlıdır. Yanakta dille yazan Schrödinger, kuantum mekaniğinin kurallarına dayanarak, kedinin hem ölü hem de canlı olmanın üst üste binmesi gerektiği sonucuna vardı. Kedinin yaşayıp yaşamadığını bulmak için bir fizikçi odayı açmalıdır. “İfadeyi affedin,” diye yazdı Schrödinger, hayvanı “eşit kısımlarda karışık veya bulaşmış” olarak tanımlamadan önce yazdı.

Schrödinger kedisine “oldukça saçma bir dava” dedi. IBM araştırmacıları buna bir ölçüt diyorlardı. Kuantum zeitgeist açıkça değişti.

Bu kuantum kedisi, matematiksel teori ve gerçeklik arasındaki ilişkinin kuantum nesneleri için nasıl yakın bir yerde olmadığını vurgulamaktadır. Ve büyük ve sıcak olduğumuz için, bir parçacığın aksine, bu kuantum tuhaflığını günlük yaşamlarımızda deneyimlemiyoruz.

Fizikçiler, gerçek bir kediyi kuantum süperpozisyon durumuna koymanın imkansız olacağını geniş ölçüde kabul ediyorlar. 2021’de, bir araştırmacı ekibi şaşırtıcı derecede soğuk bir kez daha soğuk verdiğini iddia etti, daha sonra küçük bir süper iletken devre ile paylaşılan dolaşım adı verilen bir kuantum durumuna koydu. Ancak bu aşırı vaka herkes tarafından iyi karşılanmadı: eleştirmenler, araştırmacıların, tartigrade’nin belirgin bir kuantum mülkünün klasik fizikte mümkün olmayan bir şekilde devreye bağlandığını kanıtlayamadıklarını ileri sürdüler.

Kedinin çantadan çıkmasına izin vermek

Schrödinger’in kedisinin çekiciliği sadece yıllar içinde yoğunlaştı. Yaklaşık kırk yıldır, bunun sadece felsefe üzerine makalelerde ortaya çıktı. Ama sonra, 1974’te ikonik bilim kurgu yazarı Ursula K. Le Guin, kısa bir hikaye yayınladı Schrödinger’s CatKederli bir anlatıcı, Schrödinger’ın kendisine ait olabilecek sarı bir kedi ile karşılaşır.

Hikayede, kedi şeytani bir cihazla donatılmış bir odaya girer, ancak anlatıcı onu açtığında, hayvan bulunacak hiçbir yerde değildir – ve anlatıcının evinin çatısı patlar ve okuyucuyu anlatıcının kendilerinin diyabsal bir cihazına tabi olup olmadığı konusunda spekülasyon yapmaya davet eder. Le Guin’in hikayesini izleyen yıllarda yazılan bilim kurguda referanslar boldur. Bugün, Schrödinger’s Cat, tişörtlerden kahve kupalarına, animasyon dizilerinde görünüşe kadar her şeyi süsleyen bir pop kültür ana dayanağıdır. FuturamaLe Guin’in peşinde olduğu varoluşsal belirsizliğin sembolü olarak çok daha fazlası.

Fizikçiler de Schrödinger Cat işinden asla çıkmadı. Birincisi, son derece soğuk atomlar, ışık parçacıkları, kubitler veya hatta mikroskobik membranlardan küçük davullardan farklı olmasa da kuantum süperpozisyon durumlarını yapma konusunda son derece usta oldular. 2023 yılında, araştırmacılar, bir sofra tuzu kristalini oluşturan yaklaşık yüzünte kadar-bir süperpozisyon durumuna (yaklaşık yüzlerce kişi) oluşan bir kristal yerleştirdiler ve kedi benzeri durumlarda makroskopik nesneler için yeni bir rekor kırdılar.

Bu tür deneylerdeki atom sayısını daha büyük ve daha büyük değerlere itmek, kuantum etkilerinin erişiminin ne kadar uzayabileceğini gösterir. Ancak Schrödinger’in kedisinden esinlenen kuantum devletleri de yararlıdır – bu beni bu IBM araştırmacılarıyla konuştu. Kedilerinin resmi adı, 120 kubitten yarattıkları Greenberger-Horne-Zilinger (GHz) devletiydi.

Bu kubitlerin her ikisi de bir süperpozisyona konuldu ve kuantum dolaşımının ayrılmaz bağlantısıyla bağlandı. Etki tanıdıktı: Hepsi, sadece birbirini dışlayan nesnelerde bulunamayan bir senaryo olan 0 ve 1 hesaplama değerlerini temsil eden, birbirini dışlayan iki durumun bir kombinasyonundaydı.

Dolaşmanın, kuantum bilgisayarların gelecekte çeşitli görevlerde dünyanın en iyi süper bilgisayarlarını atlaması için temel bileşen olması bekleniyor ve GHz eyaletleri hesaplamalarının çoğunda kullanılıyor. Bir kuantum bilgisayarınız varsa, büyük GHz durumlarını sürdürecek kadar iyi olmasını istersiniz, bu nedenle bunlar genellikle bir ölçüt olarak kullanılır. 2024’te, o zamanlar “en şişman” kedi olarak belirlediği 60 kubit GHz eyaleti yapan bir araştırmacıyla konuştum. IBM’nin kedisi, iki kat daha büyüklükte, bu nedenle gerçek bir ağır siklet şampiyonudur.

IBM ekibi ayrıca GHZ devletini “mantıksal” hale getirdi, yani hesaplama sırasında kubitlerdeki hataları tespit edebiliyor. Bu önemlidir, çünkü bugünün kuantum bilgisayarlarının gerçekten yararlı olma yolunda karşılaştığı en büyük engellerden biri, çok fazla hata yapmalarıdır.

Bir zamanlar IBM’in kuantum bilgi işlem tesislerinden birini ziyaret ettim. Çelik bir bölme yerine, kendimi aslında çok büyük bir buzdolabı içinde dururken buldum, bu genellikle kuantum bir bilgisayar içerecek çünkü bu cihazlar süper soğuk olmadıkça çalışmıyor. Hala bir çeşit odadaydım, Schrödinger’ın hayal ettiğinden daha az saçma bir görüntü.

Schrödinger, Paul Benioff ve Richard Feynman’ın ayrı ayrı sadece kuantum bilgisayarların inşa edilebileceğini değil, aynı zamanda kuantum alemini tam olarak anlamak için gerekli olabileceğini iddia ettikleri Hesaplama Fiziği Konferansı’ndan yirmi yıl önce 1961’de öldü. Tüm bu yıllar sonra, Schrödinger’in fikri hala bugünün kuantum fizikçilerinin ve mühendislerinin düşüncelerini geliştiriyor. Oldukça saçma kedi sonuçta hayatta kalmanın bir yolunu buldu.