Madde Kural Kitabını Bir Kenara Bıraktı

Bu sadece laboratuvar ortamında yapılan teorik bir çalışma değil. On yıllardır, işlevsel bir kuantum bilgisayarı yarışındaki en büyük engel "gürültü" olmuştur. Kuantum bitleri ya da kübitler, doğası gereği son derece hassastır. Başıboş bir titreşim veya minik bir ısı artışı onlara dokunduğunda, verilerini kaybederler ve tüm sistem çöker. Powell’ın bu "Floquet" durumlarını keşfi, bu kaosa karşı etkili bir şekilde bağışıklık kazanan malzemeler yaratabileceğimizi gösteriyor. Fizikçiler, malzemeyi sürekli ve ritmik bir değişim durumunda tutarak, durağan maddenin asla sağlayamayacağı bir tür kararlılık inşa ediyorlar.

Manyetik flaş etkisi

Powell ve meslektaşı Louis Buchalter'in neler başardığını anlamak için maddeyi katı, değişmez bir kütle olarak düşünmeyi bırakmalısınız. Normalde bir kristal, durağan bir fotoğraf gibidir. Atomlar sıraları üzerinde oturur, elektronlar etrafta hızla hareket eder ve her şey olduğu yerde kalır. Ancak Powell'ın ekibi, Floquet mühendisliği adı verilen bir teknik kullandı. Bunu karanlık bir kulüpteki flaş ışığı gibi düşünün. Işık kapalıyken dansçıları göremezsiniz. Işık belirli bir frekansta titrediğinde, dansçılar ağır çekimde hareket ediyor, hatta havada asılı kalıyor gibi görünürler.

Bu yaklaşımın güzelliği kontroldür. Geleneksel malzeme biliminde, farklı bir özellik istiyorsanız farklı bir kaya bulmanız gerekir. Daha iletken bir şey mi istiyorsunuz? Biraz bakır bulun. Manyetik bir şey mi istiyorsunuz? Biraz demir bulun. Floquet mühendisliği ile kayayı değiştirmezsiniz; ritmi değiştirirsiniz. Araştırmacılar, manyetik alanın frekansını ayarlayarak belirli kuantum özelliklerini anında devreye sokabilirler. Bu, malzemeyi programlanabilir bir tuvale dönüştürür.

Bir fotonun hayaletini kazmak

Seryum zirkonyum oksit adlı özel bir kristalin içinde Dai'nin ekibi, bilim kurgu gibi tınlayan bir şeye tanık oldu: ortaya çıkan fotonlar. Genellikle fotonlar, uzayın boşluğunda hareket eden ışık parçacıklarıdır. Ancak burada, katı bir kristalin içinden fırlıyorlardı. Bunlar güneşten gelen fotonlar değil; malzemenin içindeki atomların kolektif dansından ortaya çıkan "hayaletimsi" versiyonlardır.

Bu keşif, katıların içinde tüm evrenin temel yasalarını taklit eden ortamlar yaratabileceğimizi doğruluyor. Bu, bir değerli taşın içine hapsedilmiş minyatür bir kozmos versiyonuna sahip olmak gibi. Kuantum bilişim için bu bir altın madeni. Bu ortaya çıkan parçacıklar "kesirli" yapıdadır, yani etkili bir şekilde parçalanmış bir elektronun parçalarıdırlar. Malzeme boyunca yayıldıkları için rahatsız edilmeleri inanılmaz derecede zordur. Zaten kasten kırılmış ve binlerce atoma yayılmış bir şeyi daha fazla kıramazsınız.

Elektronlar işlerini bıraktığında

Tuhaflık manyetik darbeler veya hayalet fotonlarla sınırlı değil. Dünyanın dört bir yanındaki laboratuvarlarda elektronlar, binadaki tüm ders kitaplarına meydan okuyan şekillerde davranmaya başlıyor. Bir yüzyıldır elektronlara tellerin içinden geçen minik bilardo topları gibi davrandık. Ancak egzotik madde üzerine yapılan yeni araştırmalar, doğru koşullar altında elektronların parçacık gibi davranmayı tamamen bıraktığını gösteriyor.

Bazı kuantum malzemelerinde elektronlar sürtünmesiz bir sıvı gibi akmaya başlar. Diğerlerinde ise bireysel kimliklerini kaybederler ve tek, kolektif bir dalga olarak hareket ederler. Bu klasik fizik için bir kabus, mühendisler içinse bir hayaldir. Bir elektron parçacık gibi davranmazsa, nesnelere çarpmaz. Çarpmıyorsa ısı yaratmaz. Isı yaratmıyorsa, soğutma fanına ihtiyaç duymayan ve asla yavaşlamayan bir bilgisayar inşa edebilirsiniz.

Sorun, her zamanki gibi ortamdır. Bu durumların çoğu, derin uzaydan daha soğuk sıcaklıklar veya bir arabayı kaldıracak kadar güçlü manyetik alanlar gerektirir. İşte bu yüzden Powell’ın Floquet mühendisliği bu kadar hayati önem taşıyor. Maddeyi "sürmek" için zamana bağlı alanlar kullanarak, bu malzemeleri daha yüksek sıcaklıklarda ve daha az aşırı koşullarda bu egzotik durumlarda kalmaya zorlayabiliriz. Bu, sıvı nitrojenle soğutulan bir süper buzdolabına ihtiyaç duymak ile masanızda çalışan bir cihaza sahip olmak arasındaki farktır.

Kozmik şiddetin altın standardı

Laboratuvarda maddenin bu kırılgan, titreşen hallerine neden bu kadar takıntılı olduğumuzu merak edebilirsiniz. Cevap, parmağınızdaki mücevherde veya akıllı telefonunuzdaki altında yatıyor. On yıllardır, altın gibi ağır elementlerin aslında nereden geldiğine dair bir "nükleer gizemimiz" vardı. Oksijen veya karbon gibi yıldızların göbeğinde yapılmadıklarını biliyorduk; oradaki fizik yeterince şiddetli değildi.

Görünüşe göre altın, nihai egzotik madde deneyinin bir sonucu: nötron yıldızlarının çarpışması. Bir nötron yıldızı, aslında bir şehir büyüklüğünde dev bir atom çekirdeğidir. Gözlemlenebilir evrendeki en aşırı madde biçimidir. İkisi çarpıştığında, periyodik tablonun kurallarının pencereden dışarı atıldığı kadar tuhaf koşullar yaratırlar. Bu kaosun içinde, nötronlar atomların içine öyle bir hızla itilir ki ağır elementler saniyeler içinde dövülerek oluşturulur.

Durağan dünyanın sonu

Gördüğümüz değişim, evrenin "durağan" bir bakış açısından "dinamik" bir bakış açısına geçişidir. İnsanlık tarihinin büyük bir bölümünde bir kayaya baktık ve bir kaya gördük. Şimdi ise bir malzemeye bakıyor ve doğru ritimle açılabilecek bir olasılıklar dizisi görüyoruz. Ian Powell’ın Floquet mühendisliği ile yaptığı çalışma, maddenin "sınırlarının" çoğunlukla sadece bir hayal gücü eksikliğinden ibaret olduğunu gösterdi. Eğer bir malzeme ihtiyacınız olan özelliğe sahip değilse, sahip olana kadar onu titreştirebilirsiniz.

Cal Poly çalışmasında görev alan araştırmacı öğrenci Louis Buchalter, araştırmanın nadiren düz bir çizgi izlediğini belirtti. Bu imkansız madde durumlarının nerede yaşadığının bir haritası olan "topolojik faz diyagramını" çıkarmak ısrarlı bir çalışma gerektirdi. Bu harita artık gelecek nesil mühendisler için bir kılavuzdur. Onlar yeni elementler aramayacaklar; halihazırda elimizde olanların içinden enerji geçirmek için yeni yollar arayacaklar.

Teknolojimizin donanımının yazılım kadar akışkan olacağı bir döneme giriyoruz. Yaptığı işe göre fiziksel özelliklerini değiştiren bir işlemci hayal edin. Hesaplama mı yapmanız gerekiyor? Malzeme yüksek kararlılığa sahip bir Floquet durumuna geçiyor. Veri mi iletmeniz gerekiyor? Ortaya çıkan ışıkla bir kuantum spin sıvısına dönüşüyor. Maddenin kendisi makineye dönüşüyor. Kulağa sihir gibi geliyor ama laboratuvar sonuçlarının da gösterdiği gibi, bu sadece daha iyi bir ritme sahip fizik.

Bu egzotik durum arayışı bir teoriyi kanıtlamakla ilgili değil. Bu, veri çağında hayatta kalmakla ilgili. Bilgi işlem gücü talebimiz silikon ve bakırın fiziksel sınırlarına çarptıkça, kuralları çiğnemeye başlamaktan başka çaremiz kalmıyor. Var olmaması gereken maddeyi çağırıyoruz çünkü var olan madde artık bize yetişemiyor. Makinenin içindeki hayaletler nihayet işe koyuluyor.