2025 Nobel Fizik Ödülü, makroskobik bir elektrik devresinde kuantum mekaniği üzerine yaptıkları çalışmalardan dolayı üç kuantum fizikçisini (John Clarke, Michel H. Devoret ve John M. Martinis) onurlandırdı.
Ödül duyurusundan bu yana, bu ödüle layık görülenlerin Berkeley, Santa Barbara ve New Haven’daki ev kurumlarında tezahürat ve heyecan dolaştı.
Kuantum fiziğinde öncü araştırmalara verilen bu prestijli ödülün ödülü, modern fiziğin temelini oluşturan devrim niteliğinde bir bilimsel teori olan kuantum mekaniğinin doğuşunun 100. yıldönümüne denk geliyor.
Kuantum mekaniği başlangıçta atomların, moleküllerin ve atom altı parçacıkların şaşırtıcı davranışlarını açıklamak ve tahmin etmek için formüle edildi. O zamandan beri hassas ölçüm, lazer teknolojisi, tıbbi görüntüleme ve muhtemelen en geniş kapsamlısı yarı iletken elektronik cihazlar ve bilgisayar çipleri dahil olmak üzere çok çeşitli pratik uygulamaların yolunu açtı.
Ancak kuantum dünyasının birçok yönü bilim insanları ve mühendisler için uzun süredir gizemli kalıyor. Deneysel bir bakış açısından bakıldığında, mikroskobik parçacıkların küçük ölçeği, laboratuvar ortamlarında kuantum mekaniğinin incelikli yasalarını incelemek için olağanüstü zorluklar teşkil etmektedir.
Kuantum makinelerinin vaatleri
Geçtiğimiz yüzyılın son on yıllarından bu yana, dünyanın dört bir yanındaki araştırmacılar, çok spesifik deneysel koşullar altında kuantum davranışları sergileyen tek fotonlar ve atomik iyonlar gibi bireysel fiziksel nesneleri hassas bir şekilde izole etmeye, kontrol etmeye ve ölçmeye çalışıyorlar. Bu çabalar, çığır açan teknolojik yenilikler için kuantum fiziğinin özelliklerinden yararlanmayı amaçlayan, yeni ortaya çıkan kuantum mühendisliği alanının ortaya çıkmasına neden oldu.
En umut verici yönlerden biri, amacı “garip” kuantum tarzlarında bilgiyi kodlayabilen, işleyebilen, iletebilen ve tespit edebilen makineler tasarlamak ve uygulamak olan kuantum bilgi işlemedir: Örneğin, bir nesne aynı anda farklı durumların süperpozisyonunda olabilir. Uzak nesneler kuantum dolanıklığı, yani tüm olası klasik yorumlardan kaçan uzak korelasyonları ortaya çıkarabilir. Geleneksel elektronik öncülleriyle karşılaştırıldığında kuantum bilgi makinelerinin hesaplama, simülasyon, kriptografi ve algılama gibi belirli görevlerde avantajları olabilir.
Bu tür kuantum makinelerinin gerçekleştirilmesi, deneycilerin insan ölçeğinde birleştirilebilen ve kontrol edilebilen, ancak kuantum mekaniğine tamamen uyan güvenilir fiziksel bileşenlere erişime sahip olmasını gerektirecektir. Her ne kadar mantığa aykırı gelse de, doğal dünyanın örtülü sınırlarını kırıp mikroskobik fiziksel yasaları makroskobik gerçekliğe taşıyabilir miyiz?
Bir elektrik devresinde kuantum mekaniği
1985 yılında, o zamanlar Berkeley’deki Kaliforniya Üniversitesi’nde aynı araştırma grubunda çalışan üç Nobel ödülü sahibi, yukarıdaki soruya olumlu bir yanıt verdi. Süper iletkenlerden yapılmış elektrik devreleri üzerinde çalışıyorlardı. Süperiletkenlik, düşük sıcaklıklarda elektronların temel kuantum mekaniksel etkileşimlerinden dolayı, elektrik akımlarını dirençsiz iletmesiyle ünlü, maddenin özel bir halidir. Üçlü ilk kez makroskobik bir fiziksel değişkenin farklı kuantum davranışlarını gözlemledi.
Bir süperiletkende iki elektron bir Cooper çifti oluşturacak şekilde bir araya gelir. Bu elektron çiftleri, tüm mikroskobik bileşenleri tarafından paylaşılan kolektif bir faz değişkeni ile tanımlanabilecek makroskobik bir duruma yoğunlaşır. Bu durumda, trilyonlarca veya daha fazla elektron, sarkaç veya bilardo topları gibi gündelik nesneleri oluşturan atomların kütlesel topluluklarına benzer şekilde tek bir varlık gibi etkili bir şekilde davranır.
Bu makroskobik faz değişkeninin kuantum mekaniksel hareketini gözlemlemek için üç bilim adamı, Josephson bağlantısı adı verilen, insan saçının 1/10.000’inden daha ince bir yalıtkan katmanla ayrılmış iki parça süper iletkenden oluşan bir cihaz ürettiler. Yeterince düşük sıcaklıklarda (-273 santigrat derece veya -459 Fahrenheit derecenin altında), Josephson kavşağı boyunca faz değişkeni farkının, bir nesnenin zirvesine tırmanmaya gerek kalmadan bir bariyerden kaçabileceği, kuantum tünelleme olarak bilinen benzersiz bir kuantum mekaniksel fenomeni gösterdiğini keşfettiler.
Ayrıca ekip, Josephson bağlantısını, frekansı Wi-Fi sinyallerine yakın olan mikrodalga elektromanyetik radyasyona maruz bıraktı. Devrenin enerji seviyelerini, genellikle yalnızca mikroskobik atomlarda ve moleküllerde bulunan ayrık veya nicemlenmiş değerlerde ölçtüler. Dolayısıyla bu deneylerde kullanılan cihaza “yapay atom”, yani atom benzeri özelliklere sahip, makroskobik boyutta, tasarımı ayarlanabilir ve doğası gereği kuantum mekaniği olan bir elektrik devresi denilebilir.
Çıkarımlar ve bakış açıları
Clarke, Devoret ve Martinis’in çığır açan çalışmaları birçok derin etki yarattı. Temel düzeyde, bir zamanlar yalnızca mikroskobik düzeyde var olduğu düşünülen farklı kuantum olgularının aslında çok daha büyük fiziksel ölçeklerde ortaya çıkabileceğini öne sürdüler. Bu arada, süperiletken yapay atomların icadı, ileri mühendislik teknikleriyle kullanışlı kuantum makinelerinin inşasına yönelik yepyeni yollar açtı.
Bu keşiflere dayanarak, Nobel Ödülü sahipleri ve araştırma grupları da dahil olmak üzere araştırmacılar, o zamandan bu yana geçen on yıllar içinde süper iletken kuantum devreleri kullanan prototip kuantum bilgisayarların yapımında önemli başarılar elde etti. Bu bilgi işlemcilerini oluşturan temel cihaz birimi, süper iletken kuantum biti veya kısaca “qubit”tir. Her süper iletken kübit, bir veya daha fazla Josephson bağlantısı içeren yapay bir atomdur. Kuantum durumu deneyciler tarafından hassas bir şekilde hazırlanabilir, değiştirilebilir ve ölçülebilir. Süperiletken kübitlerin mükemmelleştirilmesi ve entegrasyonu, kuantum bilgi teknolojisindeki en ileri zorluklar arasında yer alıyor.
2025 Nobel Fizik Ödülü, temel ve uygulamalı bilimlerin kesişimindeki özgün araştırmalara veriliyor. Ödül sahipleri, açık ve titiz deneylerle derin kuantum mekaniği hipotezlerini test ettiler.
Bu yapay atomlardan, pratik kuantum bilgi makinelerinin yapımında cesur çabalar ve hızlı ilerleme ortaya çıktı. Saf entelektüel araştırmaların ve mühendislik ilerlemesinin birleşimi, bu disiplinlerarası alanı yaratılışından bu yana şekillendirmektedir.
Dolayısıyla bu Nobel Ödülü, süperiletken kuantum devrelerinin üç mucidine, meraklı zihinleri, geniş vizyonları ve maceracı tutumları gerçek bilimsel ruhu temsil eden ve gelecek nesillere ilham vermeye devam edecek olanlara bir övgü niteliğindedir.
