Kuantum Sensörler Yeni Bir Eşiği Aştı: Tek Bir Fotonu Sayabilecek Hassasiyet

Kuantum teknolojileri üzerine çalışan araştırmacılar, şimdiye kadar ölçülmüş en küçük enerji seviyelerinden birini algılayabilen yeni bir sensör geliştirdi. Finlandiya’daki Aalto Üniversitesi öncülüğünde yürütülen çalışmada geliştirilen sistem, bir zeptojoule’un bile altındaki enerji miktarlarını tespit etmeyi başardı. Bu başarı, yalnızca laboratuvar ölçeğinde etkileyici bir teknik ilerleme olarak görülmüyor; aynı zamanda kuantum bilgisayarlar, uzay araştırmaları ve karanlık madde arayışında önemli sonuçlar doğurabilecek bir adım olarak değerlendiriliyor.

Bir zeptojoule, insan ölçeğinde düşünülmesi neredeyse imkansız derecede küçük bir enerji miktarını ifade ediyor. Araştırmacıların verdiği örneğe göre bu değer, bir kırmızı kan hücresini Dünya’nın yer çekimi altında yalnızca bir nanometre yukarı kaldırmak için gereken enerjiye yakın. Bu kadar küçük bir enerjiyi güvenilir biçimde ölçebilmek ise modern Fizik araştırmalarının en zorlu alanlarından biri olarak kabul ediliyor.

Süperiletken Malzemeler Kritik Rol Oynadı

Çalışmanın merkezinde, son derece hassas bir kalorimetre sistemi bulunuyor. Kalorimetreler temel olarak çok küçük ısı değişimlerini ölçmek için kullanılıyor. Ancak burada kullanılan sistem sıradan ölçüm cihazlarından oldukça farklı çalışıyor. Araştırmacılar, ultra düşük sıcaklıklarda çalışan özel bir sensöre mikrodalga darbeleri gönderdi ve ortaya çıkan en küçük sıcaklık değişimlerini bile analiz etti.

Sensörün en dikkat çekici tarafı ise iki farklı metal yapısının birlikte kullanılması oldu. Sistemin bir bölümünde süperiletken malzemeler yer alırken diğer bölümünde normal iletkenler kullanıldı. Süperiletkenler, elektrik akımını dirençsiz şekilde taşıyabilen özel malzemeler olarak biliniyor. Ancak bu özellik yalnızca aşırı düşük sıcaklıklarda korunabiliyor. Sıcaklık çok küçük miktarda yükseldiğinde bile süperiletken yapı bozulabiliyor.

Aalto Üniversitesi’nden Profesör Mikko Möttönen’e göre tam da bu kırılgan yapı, sensörün olağanüstü hassas çalışmasını sağlıyor. Çünkü ultra soğuk ortamda meydana gelen en ufak enerji değişimi bile sistemin davranışını ölçülebilir biçimde etkiliyor. Araştırmacılar, sinyali detaylı filtreleme işlemlerinden geçirdikten sonra yalnızca 0,83 zeptojoule seviyesindeki elektromanyetik darbeyi algılamayı başardı.

Bu değer, kalorimetrik ölçüm teknolojilerinde bugüne kadar ulaşılan en hassas seviyelerden biri olarak kayda geçti. Araştırma ekibi, söz konusu ölçümün deneysel hata payları açısından da doğrulandığını belirtiyor.

Tek Foton Sayımı Gerçek Olabilir

Bu gelişmenin en dikkat çekici sonuçlarından biri, gelecekte tek tek fotonların sayılabilme ihtimali. Fotonlar ışığı taşıyan temel parçacıklar olarak biliniyor. Günümüzde birçok optik sistem büyük miktardaki foton akışlarını ölçebiliyor ancak tek bir fotonu güvenilir şekilde algılamak halen oldukça zor bir işlem olarak kabul ediliyor.

Yeni sensör teknolojisi, bu alandaki sınırları ciddi biçimde değiştirebilir. Tek foton seviyesinde ölçüm yapılabilmesi, özellikle kuantum iletişim sistemlerinde büyük önem taşıyor. Çünkü kuantum şifreleme ve kuantum ağları gibi teknolojiler, tekil parçacık seviyesinde çalışan sistemlere dayanıyor.

Araştırmacılar ayrıca sistemin gelişmiş hale getirilmesi durumunda, zamanlaması bilinmeyen enerji sinyallerini de tespit edebileceğini düşünüyor. Bu özellik özellikle karanlık madde araştırmalarında kritik olabilir. Bilim insanları yıllardır evrendeki maddenin büyük bölümünü oluşturduğu düşünülen karanlık maddeyi doğrudan gözlemlemeye çalışıyor. Ancak bu parçacıkların ne zaman ve nasıl etkileşime gireceği bilinmediği için ölçüm yapmak son derece zor.

Yeni sensör, uzaydan gelebilecek çok zayıf enerji sinyallerini fark edebilecek seviyeye ulaşırsa, karanlık madde adayları arasında yer alan aksiyon parçacıklarının tespit edilmesinde kullanılabilir. Bu da evrenin görünmeyen kısmını anlamaya yönelik çalışmalarda yeni bir dönem başlatabilir.

Kuantum Bilgisayarlarla Doğrudan Uyumlu

Geliştirilen teknolojinin bir başka önemli avantajı ise kuantum bilgisayar sistemleriyle doğal biçimde uyumlu çalışabilmesi. Kuantum bilgisayarlarda kullanılan qubit adı verilen bilgi birimleri, yalnızca milikelvin seviyesindeki aşırı düşük sıcaklıklarda stabil kalabiliyor.

Yeni kalorimetre sistemi de aynı sıcaklık aralığında çalıştığı için ek ısı üretmeden ölçüm yapabiliyor. Bu durum, kuantum bilgisayarların en büyük sorunlarından biri olan çevresel gürültü ve sistem bozulması riskini azaltabilir. Geleneksel ölçüm tekniklerinde sinyaller genellikle yükseltilmek zorunda kalıyor ve bu süreç sisteme ekstra müdahale anlamına geliyor.

Yeni yaklaşım ise doğrudan düşük sıcaklık ortamında çalışarak qubit ölçümlerini daha hassas hale getirebilir. Uzmanlara göre bu teknoloji ilerleyen yıllarda kuantum işlemcilerde veri okuma bileşeni olarak kullanılabilir.

Araştırma, Finlandiya’nın nano, mikro ve kuantum teknolojilerine odaklanan OtaNano altyapısında gerçekleştirildi. Proje ayrıca Jane ve Aatos Erkko Foundation ile Technology Industries of Finland Centennial Foundation tarafından desteklenen Future Makers girişiminden finansman aldı.

Kaynak: sciencedaily.com - New quantum sensor could count individual photons and hunt dark matter

Gökhan Yalta'nın Yorumu: Kuantum teknolojileriyle ilgili haberlerde çoğu zaman teorik vaatler konuşulur, pratik sonuçlar ise yıllarca beklenir. Ancak bu çalışma biraz farklı görünüyor. Çünkü burada anlatılan şey yalnızca laboratuvarda elde edilmiş yeni bir hassasiyet rekoru değil; aynı zamanda ölçüm problemini çözmeye yönelik ciddi bir ilerleme. Kuantum dünyasında ölçüm yapmak, çoğu zaman sistemin kendisini bozmak anlamına geliyor. Yani bir şeyi gözlemlediğiniz anda davranışını değiştiriyorsunuz. Bu nedenle daha hassas ama daha az müdahaleci ölçüm teknikleri geliştirmek, kuantum bilgisayarların geleceği açısından hayati önem taşıyor. Eğer araştırmacılar bu sistemi ölçeklenebilir hale getirebilirse, gelecekte çok daha stabil kuantum işlemciler görebiliriz. Bunun yanında karanlık madde tarafı da ayrı bir heyecan yaratıyor. İnsanlık bugün evrenin büyük kısmının ne olduğunu bilmiyor. Gördüğümüz yıldızlar, gezegenler ve galaksiler aslında toplam maddenin küçük bir bölümünü oluşturuyor. Geri kalan görünmeyen kısmı anlamak için bu kadar hassas sensörlere ihtiyaç var. Belki de önümüzdeki yıllarda evrenin en büyük gizemlerinden biri, bugün geliştirilen bu tarz ultra hassas ölçüm sistemleri sayesinde çözülecek. Bilim tarihinde çoğu büyük sıçrama, daha güçlü teleskoplardan değil, daha hassas ölçüm cihazlarından geldi. Bu gelişme de o zincirin yeni halkalarından biri olabilir.