Kuantum parçacıklarının bilinen davranış biçimlerine farklı bir boyut eklemek, gelecekte kuantum bilgisayarlar ve fotonik teknolojilerin gelişiminde bir kapı aralıyor.
Klasik fizikte dalgalar ve parçacıklar birbirinden net şekilde ayrılırken, kuantum mekaniği bu sınırları bulanıklaştırıyor. Elektronlar ya da fotonlar aynı anda hem dalga hem de parçacık özellikleri gösterebiliyor. Benzer şekilde, kuantum bilgisayarlarda kullanılan bitler de yalnızca 0 veya 1 değil, bu iki değerin süperpozisyonu halinde var olabiliyor.
Michigan Üniversitesi’nden Prof. Kai Sun ve ekibi, bu “ara hallerin” yeni bir örneğini ortaya koyuyor. Bu ara haller; tamamen hapsolmuş (yerelleşmiş) durumlar ve serbestçe yayılan (yayılımcı) dalgaların yanında, güç yasasıyla tanımlanan ara bir kuantum modu olarak ortaya çıkıyor.
Güç yasası (power law), matematikte ve fizikte bir niceliğin başka bir niceliğe belli bir üs ilişkisiyle bağlı olduğunu ifade ediyor. Yani bir büyüklük diğerine doğrusal ya da üstel değil, bir kuvvet fonksiyonu ile bağlı oluyor. Kuantum bağlamında güç yasaları, parçacıkların ya da dalgaların malzeme içinde nasıl yayıldığını ve özellikle sınır bölgelerinde enerjilerinin nasıl azaldığını açıklamak için kullanılıyor.
Araştırma, kuantum parçacıklarının tamamen yerelleşmiş ya da tamamen yayılım yapan dalga kipleri dışında, ara bir durumda da kararlı şekilde var olabileceğini gösteriyor. Daha önce nadir ve hassas koşullar altında mümkün olduğu düşünülen yarı yerelleşmiş kuantum durumlarının aslında çok daha yaygın ve kararlı bir şekilde ortaya çıkabileceği görüldü.
Bu yeni durumda enerji ne tamamen sınırlı kalıyor ne de engelsiz biçimde yayılıyor; bunun yerine, yavaş bir şekilde zayıflayarak varlığını sürdürüyor. Araştırmacılar, bu modların özellikle malzemelerin kenar bölgelerinde yani kuantum derilerinde kendiliğinden ortaya çıktığını gösteriyor.
Bilim insanları daha önce bu tip güç yasasıyla tanımlanan kuantum modlarını gözlemlemişti, ancak bunun yalnızca çok özel ayarlamalarla mümkün olduğu düşünülüyordu. Araştırmanın başyazarı Kai Sun, bu kiplerin daha önce yalnızca hassas koşullar altında mümkün olduğu düşünülürken, aslında birçok sistemde doğal olarak ve son derece kararlı biçimde ortaya çıkabildiğini vurguluyor. Araştırmaya göre, bir boyutlu sistemlerden farklı olarak iki veya daha fazla boyutta incelendiğinde bu modların kendiliğinden ve yaygın şekilde oluştuğu görülüyor.
Üstelik bu modların ortaya çıkışı, malzemenin şekline ve özellikle de en-boy oranına bağlı olarak değişiklik gösteriyor. Bu da mühendislerin gelecekte kuantum cihazlarını tasarlarken yeni bir parametreyi hesaba katması gerektiğini ortaya koyuyor.
Çalışmanın yazarları, bu kuantum modlarının gelecekte pratik uygulamalarda kullanılabileceğini öngörüyor. Örneğin, bir kuantum bilgisayarın işlem yaparken kullandığı kübitler tamamen yerelleşmiş durumlarda korunabilirken, güç yasası modları bilgi aktarımını sağlayabilir. Böylece hem güvenilir hem de daha esnek kuantum işlemciler tasarlanabilir.
Kaynak: Physical Review X
