Fizikçiler İmkansız Maddeyi Var Ediyor

Buradaki gerilim, mevcut teknolojimizin kırılganlığından kaynaklanıyor. Şu anda, son derece huysuz oldukları bilinen malzemeleri kullanarak kuantum bilgisayarlar inşa etmeye çalışıyoruz. Eğer başıboş bir ısı molekülü bir kuantum bitine, yani kübite şöyle bir bakacak olsa, tüm sistem çöker. Powell ve öğrenci araştırmacısı Louis Buchalter, bu egzotik ve zamana bağlı durumları yaratarak kuantum sistemlerini önemli ölçüde daha kararlı hale getirmenin bir yolunu buldular. Görünüşe göre maddeyi sürekli ve ritmik bir değişim halinde tutarsanız, dış gürültünün onu bozması daha zor hale geliyor.

Kuantum dünyası için flaş etkisi

Powell ve Buchalter'in neyi başardığını anlamak için maddeyi katı, hareketsiz bir şey olarak düşünmeyi bırakmanız gerekir. Kuantum seviyesinde her şey bir titreşimdir. Genellikle bu titreşimler tahmin edilebilir bir düzene girer. Floquet mühendisliği, özünde, bu titreşimleri yeni ve egzotik bir modele zorlamak için bir malzemeye "flaş" enerjisiyle -bu durumda değişken bir manyetik alanla- vurma sürecidir. Bu, bir kum yığınını alıp zemini o kadar özel bir şekilde titreştirmeye benzer ki, kum taneleri sadece orada durmaz, bir katedral şeklini alarak havada asılı kalır.

Cal Poly ekibi, "Akı Değiştirmeli Floquet Mühendisliği" (Flux-Switching Floquet Engineering) adını verdikleri bir süreç kullandı. Kulağa doksanların ortalarından kalma bir bilimkurgu yeniden çevriminden çıkmış gibi geliyor, ancak mekaniği yüksek boyutlu sistemleri yansıtan matematiksel bir organizasyon ilkesine dayanıyor. Sistemi zaman ayarlı manyetik değişimlerle sürerek, "topolojik olarak korunan" kuantum evrelerinin kilidini açtılar. Bunu sade bir dille ifade etmek gerekirse, maddenin durumu kendi geometrisiyle kilitlenmiştir. Onu kolayca kıramazsınız çünkü varlığının şekli bile çözülmesini engeller.

Bu, bilişimin geleceği için çok büyük bir olay. İşlevsel bir kuantum bilgisayarının önündeki en büyük engellerden biri "gürültü" yani hatalara neden olan çevresel etkileşimdir. Eğer kübitleri bu sürülmüş, egzotik durumlardan inşa edebilirsek, onları sadece daha hızlı yapmıyor; aynı zamanda sağlamlaştırıyoruz. Bilgisayarları camdan inşa etmekten, onları güçlendirilmiş çelikten inşa etmeye geçiyoruz. Ancak bunun bedeli enerjidir. Maddenin varlığını sürdürmesi için sistemi "sürülmüş" halde tutmanız gerekir. Titreşimi durdurduğunuz anda sihirli numara biter ve madde tekrar kendi sıkıcı, statik haline geri döner.

Bu kristalin içinde neden hayalet fotonlar var?

Kuantum spin sıvısı biraz yanlış bir adlandırmadır. Islak değildir. Bunun yerine "sıvı", kristalin içindeki atomların manyetik momentlerini, yani spinlerini ifade eder. Buzdolabınızdaki gibi normal bir mıknatısın içindeki tüm spinler aynı yönü gösterir veya düzgün bir deseni takip eder. Bir kuantum spin sıvısında ise spinler, mutlak sıfırda bile tam ve çılgınca bir düzensizlik halindedir. "Hüsrana uğramışlardır", yani yerleşecek rahat bir yer bulamazlar. Sürekli hareket ettikleri ve dolanık oldukları için "hayalet" parçacıklar yaratırlar; bunlar tam olarak ışık gibi davranan ancak sadece malzemenin sınırları içinde var olan uyarılmalardır.

Kurallara uymayı reddeden maddeyi gerçekten kullanabilir miyiz?

Cal Poly'deki titreyen madde ile Rice'taki hayalet fotonlar arasındaki ortak nokta, klasik fiziğin tamamen reddedilmesidir. Artık bir malzemenin ne olduğuyla değil, sınırları zorlandığında neler yapabileceğiyle ilgilendiğimiz bir döneme giriyoruz. Bu durum grafen için de geçerli. Araştırmacılar yakın zamanda grafen içindeki elektronların, neredeyse sürtünmesiz bir sıvı gibi aktığını gözlemlediler; bu, elektronların tekil langırt topları gibi etrafta dolaşması gerektiğini söyleyen temel bir fizik yasasına meydan okuyor. Bunun yerine, sanki bal bir borunun içinden hiç takılmadan ışık hızında akabiliyormuş gibi hareket ediyorlar.

Bir de yarı kristaller (quasicrystals) var. 40 yıldır, bir desene sahipmiş gibi görünen ancak aslında asla kendini tekrar etmeyen bu malzemeleri anlamakta zorlanıyoruz. Onlar kuantum dünyasının mozaikleridir; güzel, karmaşık ve görünüşte imkansız. Michigan Üniversitesi'ndeki bilim insanları, bunların nasıl büyüdüğüne dair kodu nihayet çözerek, düzen ile kaos arasındaki çizgide yer aldıklarını ortaya koydular. Floquet durumları gibi, yarı kristaller de aslında var olmaması gereken bir orta zemini temsil ederek, tuz kristalinin tahmin edilebilir dünyası ile gazın mutlak rastlantısallığı arasında bir köprü oluşturuyor.

Endüstriyel etkileri şaşırtıcı ancak gerçekçi olmalıyız. Gelecek yıl Floquet destekli akıllı telefonlara sahip olmayacağız. Ian Powell, bunun en doğrudan ilgisinin kuantum simülasyonu ve araştırmalarına yönelik olduğunu kabul eden ilk kişidir. Cal Poly'deki bir laboratuvardan Shenzhen'deki bir üretim tesisine giden yol uzundur ve başarısız deneylerle döşelidir. Ancak kavramsal duvar yıkıldı. Artık biliyoruz ki, belirli bir teknoloji için ihtiyacımız olan malzemeyi bulamıyorsak, onu manyetik alanlar kullanarak titreştirip var edebiliriz.

Teknolojinin geleceği sadece iyi zamanlanmış bir titreşimden mi ibaret?

Eğer bunu otobüste otururken okuyorsanız, muhtemelen bir asırdan fazladır anladığımız malzemeler olan silikon, bakır ve plastikten yapılmış bir cihaz tutuyorsunuzdur. Bir sonraki sıçrama, bu malzemelerin daha iyi bir versiyonu olmayacak. Büyü gibi hissettiren bir şey olacak. Donanımımızın zamana bağlı alanlar tarafından "sürüldüğü", enerjimizin kristallerin içinden hayalet parçacıklar yoluyla hareket ettiği ve bilgisayarlarımızın güç kapalıyken teknik olarak var olmayan madde hallerinden inşa edildiği bir dünyaya bakıyoruz.

Evrenin temel yapı taşları hakkında ne kadar çok şey öğrenirsek, onları aslında ne kadar az kullandığımızı fark etmemizin belirli bir ironisi var. Piyanoyu sadece üç tuşunu kullanarak çalıyoruz. Floquet mühendisliği ve 3D spin sıvılarının keşfi, birinin nihayet kapağı açıp bize diğer 85 tuşu göstermesi gibi. Karmaşık, zorlu ve taş üzerine yazıldığını sandığımız kuralların çoğunu bozuyor. Ancak Louis Buchalter'in laboratuvardaki zamanından sonra belirttiği gibi, araştırma nadiren düz bir süreçtir. Bu, ısrar etmek ve bir manyetik alana bakıp "şalteri herkesten daha hızlı açıp kapatsam ne olur?" diye merak etme isteğidir.

Fiziğin önümüzdeki on yılı, periyodik tablonun sonundaki yeni elementleri keşfetmekle ilgili olmayacak. Bu, elementlerin arasındaki boşluklarda yaratabileceğimiz tuhaf, titreyen, hüsrana uğramış ve sürtünmesiz durumlarla ilgili olacak. Artık fiziksel dünyanın sadece gözlemcileri değiliz. Bizler onun editörleriyiz; maddenin kodunu gerçek zamanlı olarak, her seferinde bir manyetik darbe ile yeniden yazıyoruz. Fizik kuralları değişmedi, ancak onları aşma yeteneğimiz kesinlikle değişti. Ve olan ile olabilecek olan arasındaki o boşlukta, bir sonraki teknolojik devrim şu anda titreşimlerle hayat buluyor.