Araştırmacılar, dolanık foton üretimini daha verimli ve yönlendirilebilir hale getiren açık kaynaklı bir algoritma geliştirdi.
Kuantum fiziği, gözlemleyebildiğimiz dünyadaki fizik kurallarının işlemediği atom altı dünyayı anlamamıza yardımcı olan bir bilim dalı. Bu alanda yapılan araştırmalar, geleceğin teknolojileri için büyük bir potansiyel taşıyor. İsrail Teknoloji Enstitüsü Technion ile Tel Aviv Üniversitesi’nden araştırmacılar, kristal içinde dolanık fotonlar (ışık parçacıkları) üretmek için yapay zeka tabanlı yeni bir yöntem geliştiriyor. Bu yenilikçi çalışma, ışığın kuantum özelliklerini daha etkin kullanmayı mümkün kılıyor.
Araştırmacılar, geliştirdikleri algoritmayı açık kaynak olarak GitHub üzerinde paylaştı. Böylece dünyanın farklı yerlerindeki bilim insanları bu aracı kullanarak yeni kuantum deneyleri tasarlayabiliyor.
Fotonlar, ışığın temel parçacıkları olarak biliniyor. Gündelik yaşamda karşılaştığımız ışık kaynakları, çok sayıda foton içeriyor. Ancak kuantum iletişim gibi gelişmiş teknolojiler, çok daha zayıf ışık demetleriyle, hatta her seferinde yalnızca bir foton içeren ışık darbeleriyle çalışıyor. Bu tür sistemlerde, bilgi genellikle ışığın rengi, şekli ya da kutuplanması gibi özelliklere kodlanıyor. Örneğin yeşil ışık “sıfır”, kırmızı ışık “bir” anlamına gelebiliyor. Bu sayede ikili (binary) veri aktarımı yapılabiliyor.
Kuantum iletişimin en dikkat çekici yönlerinden biri, dolanıklık denen bir kuantum fenomenini kullanması. Dolanıklık, iki ya da daha fazla parçacığın birbirine öyle bir şekilde bağlı olması durumu ki, biri üzerinde yapılan ölçüm, diğerinin durumunu da anında etkiliyor. Örneğin bir foton çifti düşünün: biri yeşil, diğeri kırmızı. Bu fotonların hangisinin hangi renkte olduğunu başta bilmiyoruz. Ancak birini ölçtüğümüzde onun yeşil olduğunu görürsek, diğerinin mutlaka kırmızı olduğunu hemen anlayabiliyoruz. Bu etki, fotonlar birbirinden çok uzakta olsa bile geçerli oluyor.
Bu tür dolanık foton çiftlerini üretmek için en çok kullanılan yöntemlerden biri, “kendiliğinden parametre aşağı dönüşümü” (SPDC) denilen bir süreç. Bu yöntemde, lazer ışığı özel bir kristalden geçiriliyor. Nadiren de olsa, lazerdeki bir foton bu kristalde kendiliğinden iki yeni fotona ayrılıyor. Bu yeni fotonlar, aynı anda doğdukları için aralarında güçlü bir kuantum bağı oluşuyor. Ancak bu yöntemle üretilen foton çiftlerinin çoğu istenen özelliklere sahip olmuyor. Örneğin bazıları rastgele renklerde ya da şekillerde olabiliyor. Dolayısıyla sistemin kontrolü zorlaşıyor.
İşte Technion ve Tel Aviv Üniversitesi’nden bilim insanları, bu sorunu çözmek için yapay öğrenme algoritmalarını kullanıyor. Prof. Alex Bronstein ve Prof. Ady Arie liderliğindeki ekip, hangi tür kristal ve lazer ayarlarının istenen türde dolanık fotonlar üreteceğini tahmin eden bir model geliştiriyor. Bu model, geçmiş deneylerden elde edilen verilerle test ediliyor ve doğruluğu onaylanıyor.
İkinci aşamada ise araştırmacılar, sistemin çıktısı ile hedeflenen kuantum durum arasındaki farkı hesaplayan bir “maliyet fonksiyonu” tanımlıyor. Bu fonksiyon, algoritmanın öğrenmesini yönlendiriyor. Öğrenme süreci tamamlandığında, sistem hangi kristal yapısının ve lazer şeklinin en uygun olduğunu belirliyor.
Bu çalışma, özellikle fotonların uzamsal şekilleri üzerinden (örneğin daire veya halka şeklinde) yüksek boyutlu dolanıklık üretmeye odaklanıyor. Ancak yöntem, fotonun rengi veya kutuplanması gibi diğer özellikleri üzerinde de uygulanabiliyor. Ayrıca sadece kristallerle sınırlı kalmayıp optik fiberler ve dalga kılavuzları gibi başka sistemlerde de kullanılabiliyor.
Kuantum bilgisayarlarının geleneksel şifreleme yöntemlerini çözme ihtimali giderek artarken, bu tür güvenli kuantum iletişim yöntemleri büyük önem kazanıyor. Geliştirilen yeni yöntem, hem bilgi güvenliği hem de geleceğin kuantum teknolojileri açısından önemli bir adım olarak görülüyor.
Kaynak: TECHNION
