Kuantum Fenomenleri: Tünelleme ve Dolaşıklığın Modern Teknolojideki Temelleri

Evrenin işleyişini yöneten yasalar, günlük sezgilerimizden köklü biçimde ayrılan kurallar altında faaliyet gösterdiğinden, gerçeklik sıklıkla sağduyuya meydan okur. Son yüzyılda kanıtlanan tuhaf fiziksel etkiler, madde, enerji ve uzay hakkındaki varsayımlarımızı zorlamaktadır. Parçacıkların engellerin içinden geçmesinden zamanın farklı hızlarda akmasına kadar uzanan bu kuantum fenomenleri, 2026 yılında hızla olgunlaşan modern teknolojinin temelini oluşturmaktadır.

Kuantum tünelleme olgusu, elektronlar gibi parçacıkların teorik olarak aşılamaz olması gereken enerji bariyerlerinden geçmesine olanak tanır. Bu etki, Güneş'in çekirdeğinde sürekli füzyonun gerçekleşmesini açıklayarak Dünya üzerindeki yaşamı mümkün kıldığı için nükleer süreçler açısından hayati öneme sahiptir. Dahası, bilgisayarlarımızı ve cep telefonlarımızı çalıştıran yarı iletkenler, transistörler ve diyotlar gibi teknolojiler, bu tünelleme etkisi olmasaydı işlev göremezdi. John Clarke, Michel H. Devoret ve John M. Martinis, makroskobik kuantum mekaniksel tünelleme ve elektrik devrelerindeki enerji kuantizasyonunun keşfi nedeniyle 2025 Nobel Fizik Ödülü'nü paylaştı. Clarke, Yale Üniversitesi'nden Robert Schoelkopf'un da belirttiği gibi, bu çalışmalar kuantum fenomenlerinin faydalanılıp işe koşulabilecek bir ölçeğe taşınmasının temelini oluşturdu. Bu üç bilim insanı, 1984 ve 1985 yıllarında Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley'de gerçekleştirdikleri deneylerle, milyarlarca Cooper çifti elektron içeren süperiletken bir elektrik sisteminde iki temel kuantum mekaniksel davranışı belgeledi.

INFN'den teorik fizikçi Marco Ciuchini, klasik fizikte bir parçacığın potansiyel bariyerin yüksekliğinden daha fazla enerjiye sahip olması gerektiğini, ancak kuantum mekaniğinde parçacığın engelden geçme olasılığının üstel olarak küçük olduğunu açıklamaktadır. Bu keşif, kuantum bilgisayarların temel bilgi birimlerini oluşturan süperiletken kübitlerin geliştirilmesine yol açmıştır. Einstein'ın "uzaktan ürkütücü eylem" olarak adlandırdığı kuantum dolaşıklık, parçacıkların aralarındaki mesafeden bağımsız olarak anında birbirini etkilediği korelasyonları tanımlar. 2024 yılının sonlarında CERN'deki ATLAS ve CMS deneyleri, aşırı enerji ölçeklerinde bile dolaşıklığın parçacık fiziği genelinde temel olduğunu gösteren, üst kuarklar arasında spin dolaşıklığı gözlemledi. Bu tür temel etkilerin doğrulanması, kuantum kriptografisi alanındaki ilerlemelerin önünü açmaktadır. Öte yandan, kuantum süperpozisyonu, parçacıkların ölçülene kadar birden fazla durumda aynı anda bulunmasına imkan tanır; bu durum, kübitlerin bilgi kodlamasının temelini oluşturur.

Kütleçekimsel zaman genişlemesi, kesin olarak doğrulanmış bir olgudur ve yerçekiminin daha zayıf olması nedeniyle zamanın yer seviyesine göre daha hızlı aktığı GPS uydularını etkiler. Dünya yüzeyinden yaklaşık 20.000 km yükseklikteki GPS yörüngesinde dönen uydular için, yerçekimi etkisinin hızdan kaynaklanan zaman genişlemesi etkisinden daha baskın olduğu deneysel olarak kanıtlanmıştır; yerçekimi etkisi saati günlük yaklaşık 45 mikrosaniye ileriye götürürken, hız etkisi 7 mikrosaniye geriye çeker. Bu net etki, günlük 38 mikrosaniyelik bir düzeltme gerektirir; aksi takdirde GPS hataları günde 11,4 kilometre birikecektir. Bu tür uzay-zaman değişimlerine göre ayarlama yapılması, GPS sistemlerinin Dünya'daki sistemlerle koordineli çalışması için zorunludur.

Kuantum alan teorisi, kuantum vakum dalgalanmaları nedeniyle boş uzayın aslında boş olmadığını, Casimir etkisiyle kanıtlandığını göstermektedir. Bu etki, yakın aralıklı, yüksüz iki metal plakanın birbirine itilmesine neden olan ölçülebilir bir kuvvet olarak kendini gösterir. Ayrıca, Pauli dışlama ilkesi, elektronlar gibi özdeş fermiyonların aynı anda aynı kuantum durumunu işgal etmesini engeller; bu ilke, elektronların çekirdeğe çökmesini engelleyen ve katı maddenin yapısını oluşturan dejenerasyon basıncını yaratır. 2026 itibarıyla yarı iletkenler, GPS atom saatleri, lazerler ve kuantum bilgisayarların tamamı, görünmez bir altyapı haline gelmiş olan kuantum mekaniğine bağımlıdır. Bu teknolojiler, ilk kuantum devriminin ürünüdür; ikinci nesil kuantum teknolojileri ise algılama, iletişim ve hesaplama gibi alanlarda otonomi ve ileri imalatı hedeflemektedir.