İki kara delik birbirine doğru spiral çizip çarpıştığında uzay-zamanı sallar ve yüz milyonlarca ışıkyılı boyunca yayılabilen dalgalanmalar oluşturur. 2015'ten bu yana bilim insanları, altın gibi ağır elementlerin kökeni ve evrenin ne kadar hızlı genişlediği gibi evrenimizle ilgili temel soruları yanıtlamak için bu kütleçekim dalgalarını doğrudan gözlemliyorlar.
Duyuru
Ancak şu ana kadar yerçekimi dalgalarını tespit etmek zor oldu. Dünya'ya ve ABD'nin Louisiana ve Washington eyaletlerindeki Lazer Girişimölçer Yerçekimi Dalga Gözlemevi'nin (LIGO) ikiz dedektörlerine ulaştıklarında, dalgalar neredeyse yok oldu ve zorlukla tespit edilebilir hale geldi. Herhangi bir şansa sahip olmak için, LIGO'nun dedektörlerinin protonların genişliğinin on binde biri düzeyindeki hareketleri tespit etmesi gerekiyor. LIGO şu ana kadar en az 90 kütleçekim dalgası tespitini doğruladı ancak orada çalışan fizikçiler çok daha fazlasını göstermek istiyor. Bu nedenle sistemin çok daha hassas hale getirilmesi gerekiyor: büyük bir teknik zorluk.
Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden fizikçi Lisa Barsotti, “Bu dedektörlerle ilgili sorun, onları her iyileştirmeye çalıştığınızda, çok hassas oldukları için algılama performansını gerçekten kötüleştirebilmenizdir” diyor. Ancak Barsotti ve meslektaşları yakın zamanda bu zorluğun üstesinden gelerek LIGO'nun çok daha fazla kara delik birleşmesini ve nötron yıldızı çarpışmasını tespit etmesine olanak tanıyan donanım geliştirdiler. Cihaz, araştırmacıların kuantum mekaniğinin sorunlu olduğu kabul edilen belirsizlik ilkesini pratik uygulamalar için kullanmasının bir yolu olan kuantum sıkıştırmayı kullanan, giderek büyüyen bir cihaz sınıfına ait.
Fizikçiler genellikle kuantum alanındaki nesneleri olasılıkları kullanarak tanımlarlar. Örneğin bir elektron “burada veya orada” bulunmaz, belli bir olasılıkla mümkün olan herhangi bir yerde bulunabilir. Aslına bakılırsa, yalnızca orada olup olmadığını ölçerseniz belirli bir yerdedir. Bu olasılıklar kuantum sıkıştırma yoluyla değiştirilebilir. Bu nedenle araştırmacılar, ölçüm süreci üzerinde daha fazla kontrol sağlamak ve böylece LIGO gibi kuantum sensörlerinin hassasiyetini önemli ölçüde artırmak için bunu giderek daha sık kullanıyor.
Belirsizlik üzerinde kontrol
Stanford Üniversitesi'nden fizikçi Mark Kasevich, “Amacın çok zayıf sinyalleri tespit etmek olduğu hassas algılama uygulamaları için kuantum sıkıştırma büyük bir kazanç olabilir” diyor. Kendisi de navigasyon uygulamaları için daha hassas manyetometreler, jiroskoplar ve saatler geliştirmek amacıyla bu olgudan yararlanıyor. Kanadalı start-up Xanadu, bu teknolojiyi kuantum bilgisayarlarında kullanıyor. Geçtiğimiz sonbaharda ABD araştırma ajansı DARPA, tek çip biçiminde kuantum sıkıştırma teknolojisi geliştirmeyi amaçlayan “İlham Veren” programını duyurdu. Sürecin pratik uygulamaları zaten mevcut.
Kuantum sıkıştırmanın ardındaki anahtar kavram Heisenberg'in belirsizlik ilkesi olgusudur. Kuantum mekaniksel bir sistemde bu prensip, bir nesnenin iki özelliğinin aynı anda ölçülmesinin doğruluğuna temel bir sınır koyar. Ölçüm cihazı ne kadar iyi olursa olsun, her zaman doğanın bir parçası olan temel bir yanlışlığa maruz kalır. Fizikçiler bu özelliklere “tamamlayıcı özellikler” diyorlar. Örneğin, bir parçacığın hızını doğru bir şekilde ölçmek istiyorsanız, konumunu belirlerken hassasiyetten ödün vermeniz gerekir; bunun tersi de geçerlidir. Kuantum hesaplama girişimi QuEra'da fizikçi olan John Robinson, “Fizik deneylere ve özellikle hassas ölçümlere sınırlar koyuyor” diyor.
Ancak bu prensibi, ölçmek istemediğiniz fiziksel özellikler hakkında daha fazla belirsizliğe izin vererek de kullanabilirsiniz. Bu “sıkıştırma” araştırmacıların istenen ölçümün hassasiyetini artırmasına olanak tanır. Teorik fizikçiler 1980'lerin başlarında ölçümlerdeki belirsizliğin telafi edilebileceğini öne sürdüler. O zamandan bu yana deneysel fizikçiler bu fikirleri daha da geliştirdiler; Geçtiğimiz on beş yıl boyunca, daha önce tüm masalara yayılması gereken deneyler, pratik cihazların yaratılmasına yol açtı. Şimdi asıl soru hangi uygulamaların bundan faydalanacağıdır. Kasevich, “Bu teknolojinin neye dönüşebileceğini yeni anlamaya başlıyoruz” diyor. “O halde hayal gücümüzün gelişmesini ve bunun gerçekte ne için olduğunu anlamamıza yardımcı olmasını umalım.”
LIGO, son derece küçük mesafeleri ölçebilen gelişmiş dedektörler aracılığıyla bu soruyu yanıtlamada öncülük ediyor. Gözlemevi, dört kilometre uzunluğundaki “kolları” boyunca küçük hareketleri tespit edebilen L şeklindeki makineleri kullanarak yerçekimi dalgalarını tespit ediyor. Araştırmacılar, bu dev makinelerin her birinde, bir lazer ışınını iki parçaya bölüyor ve her bir koldan aşağıya, bir dizi ayna tarafından yansıtılan bir ışın gönderiyor. Yerçekimi dalgasının yokluğunda, ışınlar yeniden birleşirken bireysel ışık dalgalarının zirveleri ve vadileri birbirini tamamen iptal etmelidir. Bununla birlikte, bir kütleçekim dalgası geçtiğinde, kollar dönüşümlü olarak gerilir ve sıkıştırılır, böylece bölünmüş ışık dalgaları biraz faz dışı olur.
İnce sinyaller
Ancak sonuçta ortaya çıkan sinyaller o kadar zayıf ki, kuantum boşluğu adı verilen gürültünün, yani evrenin içeri ve dışarı salınan parçacıkların neden olduğu kaçınılmaz arka plan gürültüsünün gürültüsü tarafından bastırılabilirler. Kuantum boşluğu, LIGO'nun kollarına giren bir tür arka plan ışığının titreşmesine neden olur. Bu ışık aynalara çarpıyor ve onları LIGO'nun aslında tespit etmeye çalıştığı yer çekimi dalgalarıyla aynı minimum ölçeğe kaydırıyor.
Barsotti'nin ekibi bu arka plan titremesini kolayca ortadan kaldıramıyor ancak kuantum sıkıştırma yoluyla bunu sınırlı bir ölçüde kontrol edebiliyorlar. Bunu yapmak için ekip, L şeklindeki iki LIGO dedektörünün her birine 300 metre uzunluğunda bir boşluk yerleştirdi.Lazerleri kullanarak, bunun içinde yapay bir kuantum vakum oluşturabilir ve ne kadar parlak olduğu üzerindeki kontrol derecesini artırmak için fiziksel koşulları manipüle edebilirler. titreme olabilir veya zaman içinde ne kadar rastgele meydana gelebilir. Bununla birlikte, titreşen ritim daha rastgele olduğunda yüksek frekanslı yerçekimsel dalgaları tespit etmek daha zordur, arka plan ışığı daha parlak göründüğünde ise düşük frekanslı yerçekimsel dalgalar bastırılabilir. Yapay vakumlarında, ölçümlerde hâlâ “gürültülü” parçacıklar görünüyor, ancak bu durum artık yerçekimsel dalgaların tespitini o kadar da rahatsız etmiyor. Barsotti şöyle açıklıyor: “Boşluğu, onu kendinize faydalı olacak şekilde değiştirerek değiştirebilirsiniz.”
Bu yeniliğin hazır olması için onlarca yıl süren bir geliştirme süreci vardı: 2010'larda LIGO, 1980'lerdeki teorik fikirlere dayanarak, kuantum sıkıştırmanın giderek daha karmaşık hale gelen biçimlerini yavaş yavaş entegre etti. Geçen yıl dedektöre kurulan en son kuantum sıkıştırma yeniliğiyle araştırmacılar artık yerçekimsel dalgaların eskisinden %65'e kadar daha sık tespit edilebileceğini bekliyor.
Haberin Sonu
Duyuru
Ancak şu ana kadar yerçekimi dalgalarını tespit etmek zor oldu. Dünya'ya ve ABD'nin Louisiana ve Washington eyaletlerindeki Lazer Girişimölçer Yerçekimi Dalga Gözlemevi'nin (LIGO) ikiz dedektörlerine ulaştıklarında, dalgalar neredeyse yok oldu ve zorlukla tespit edilebilir hale geldi. Herhangi bir şansa sahip olmak için, LIGO'nun dedektörlerinin protonların genişliğinin on binde biri düzeyindeki hareketleri tespit etmesi gerekiyor. LIGO şu ana kadar en az 90 kütleçekim dalgası tespitini doğruladı ancak orada çalışan fizikçiler çok daha fazlasını göstermek istiyor. Bu nedenle sistemin çok daha hassas hale getirilmesi gerekiyor: büyük bir teknik zorluk.
Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden fizikçi Lisa Barsotti, “Bu dedektörlerle ilgili sorun, onları her iyileştirmeye çalıştığınızda, çok hassas oldukları için algılama performansını gerçekten kötüleştirebilmenizdir” diyor. Ancak Barsotti ve meslektaşları yakın zamanda bu zorluğun üstesinden gelerek LIGO'nun çok daha fazla kara delik birleşmesini ve nötron yıldızı çarpışmasını tespit etmesine olanak tanıyan donanım geliştirdiler. Cihaz, araştırmacıların kuantum mekaniğinin sorunlu olduğu kabul edilen belirsizlik ilkesini pratik uygulamalar için kullanmasının bir yolu olan kuantum sıkıştırmayı kullanan, giderek büyüyen bir cihaz sınıfına ait.
Fizikçiler genellikle kuantum alanındaki nesneleri olasılıkları kullanarak tanımlarlar. Örneğin bir elektron “burada veya orada” bulunmaz, belli bir olasılıkla mümkün olan herhangi bir yerde bulunabilir. Aslına bakılırsa, yalnızca orada olup olmadığını ölçerseniz belirli bir yerdedir. Bu olasılıklar kuantum sıkıştırma yoluyla değiştirilebilir. Bu nedenle araştırmacılar, ölçüm süreci üzerinde daha fazla kontrol sağlamak ve böylece LIGO gibi kuantum sensörlerinin hassasiyetini önemli ölçüde artırmak için bunu giderek daha sık kullanıyor.
Belirsizlik üzerinde kontrol
Stanford Üniversitesi'nden fizikçi Mark Kasevich, “Amacın çok zayıf sinyalleri tespit etmek olduğu hassas algılama uygulamaları için kuantum sıkıştırma büyük bir kazanç olabilir” diyor. Kendisi de navigasyon uygulamaları için daha hassas manyetometreler, jiroskoplar ve saatler geliştirmek amacıyla bu olgudan yararlanıyor. Kanadalı start-up Xanadu, bu teknolojiyi kuantum bilgisayarlarında kullanıyor. Geçtiğimiz sonbaharda ABD araştırma ajansı DARPA, tek çip biçiminde kuantum sıkıştırma teknolojisi geliştirmeyi amaçlayan “İlham Veren” programını duyurdu. Sürecin pratik uygulamaları zaten mevcut.
Kuantum sıkıştırmanın ardındaki anahtar kavram Heisenberg'in belirsizlik ilkesi olgusudur. Kuantum mekaniksel bir sistemde bu prensip, bir nesnenin iki özelliğinin aynı anda ölçülmesinin doğruluğuna temel bir sınır koyar. Ölçüm cihazı ne kadar iyi olursa olsun, her zaman doğanın bir parçası olan temel bir yanlışlığa maruz kalır. Fizikçiler bu özelliklere “tamamlayıcı özellikler” diyorlar. Örneğin, bir parçacığın hızını doğru bir şekilde ölçmek istiyorsanız, konumunu belirlerken hassasiyetten ödün vermeniz gerekir; bunun tersi de geçerlidir. Kuantum hesaplama girişimi QuEra'da fizikçi olan John Robinson, “Fizik deneylere ve özellikle hassas ölçümlere sınırlar koyuyor” diyor.
Ancak bu prensibi, ölçmek istemediğiniz fiziksel özellikler hakkında daha fazla belirsizliğe izin vererek de kullanabilirsiniz. Bu “sıkıştırma” araştırmacıların istenen ölçümün hassasiyetini artırmasına olanak tanır. Teorik fizikçiler 1980'lerin başlarında ölçümlerdeki belirsizliğin telafi edilebileceğini öne sürdüler. O zamandan bu yana deneysel fizikçiler bu fikirleri daha da geliştirdiler; Geçtiğimiz on beş yıl boyunca, daha önce tüm masalara yayılması gereken deneyler, pratik cihazların yaratılmasına yol açtı. Şimdi asıl soru hangi uygulamaların bundan faydalanacağıdır. Kasevich, “Bu teknolojinin neye dönüşebileceğini yeni anlamaya başlıyoruz” diyor. “O halde hayal gücümüzün gelişmesini ve bunun gerçekte ne için olduğunu anlamamıza yardımcı olmasını umalım.”
LIGO, son derece küçük mesafeleri ölçebilen gelişmiş dedektörler aracılığıyla bu soruyu yanıtlamada öncülük ediyor. Gözlemevi, dört kilometre uzunluğundaki “kolları” boyunca küçük hareketleri tespit edebilen L şeklindeki makineleri kullanarak yerçekimi dalgalarını tespit ediyor. Araştırmacılar, bu dev makinelerin her birinde, bir lazer ışınını iki parçaya bölüyor ve her bir koldan aşağıya, bir dizi ayna tarafından yansıtılan bir ışın gönderiyor. Yerçekimi dalgasının yokluğunda, ışınlar yeniden birleşirken bireysel ışık dalgalarının zirveleri ve vadileri birbirini tamamen iptal etmelidir. Bununla birlikte, bir kütleçekim dalgası geçtiğinde, kollar dönüşümlü olarak gerilir ve sıkıştırılır, böylece bölünmüş ışık dalgaları biraz faz dışı olur.
İnce sinyaller
Ancak sonuçta ortaya çıkan sinyaller o kadar zayıf ki, kuantum boşluğu adı verilen gürültünün, yani evrenin içeri ve dışarı salınan parçacıkların neden olduğu kaçınılmaz arka plan gürültüsünün gürültüsü tarafından bastırılabilirler. Kuantum boşluğu, LIGO'nun kollarına giren bir tür arka plan ışığının titreşmesine neden olur. Bu ışık aynalara çarpıyor ve onları LIGO'nun aslında tespit etmeye çalıştığı yer çekimi dalgalarıyla aynı minimum ölçeğe kaydırıyor.
Barsotti'nin ekibi bu arka plan titremesini kolayca ortadan kaldıramıyor ancak kuantum sıkıştırma yoluyla bunu sınırlı bir ölçüde kontrol edebiliyorlar. Bunu yapmak için ekip, L şeklindeki iki LIGO dedektörünün her birine 300 metre uzunluğunda bir boşluk yerleştirdi.Lazerleri kullanarak, bunun içinde yapay bir kuantum vakum oluşturabilir ve ne kadar parlak olduğu üzerindeki kontrol derecesini artırmak için fiziksel koşulları manipüle edebilirler. titreme olabilir veya zaman içinde ne kadar rastgele meydana gelebilir. Bununla birlikte, titreşen ritim daha rastgele olduğunda yüksek frekanslı yerçekimsel dalgaları tespit etmek daha zordur, arka plan ışığı daha parlak göründüğünde ise düşük frekanslı yerçekimsel dalgalar bastırılabilir. Yapay vakumlarında, ölçümlerde hâlâ “gürültülü” parçacıklar görünüyor, ancak bu durum artık yerçekimsel dalgaların tespitini o kadar da rahatsız etmiyor. Barsotti şöyle açıklıyor: “Boşluğu, onu kendinize faydalı olacak şekilde değiştirerek değiştirebilirsiniz.”
Bu yeniliğin hazır olması için onlarca yıl süren bir geliştirme süreci vardı: 2010'larda LIGO, 1980'lerdeki teorik fikirlere dayanarak, kuantum sıkıştırmanın giderek daha karmaşık hale gelen biçimlerini yavaş yavaş entegre etti. Geçen yıl dedektöre kurulan en son kuantum sıkıştırma yeniliğiyle araştırmacılar artık yerçekimsel dalgaların eskisinden %65'e kadar daha sık tespit edilebileceğini bekliyor.
Haberin Sonu