Günlük hayatta kolay bir kuralı biliriz. Isı her vakit sıcaktan soğuğa akar. Masada unutulan bir fincan kahve vakitle soğur zira ısısını daha serin olan havaya bırakır. Fakat kuantum dünyasında işler sandığımız üzere yürümeyebilir. Yeni bir deney, bu tanıdık tecrübenin bilakis çevrilebileceğini ortaya koydu.
Bu gelişme, fiziğin en temel prensiplerinden biri olan termodinamiğin ikinci yasının kuantum ölçekte yine ele alınması gerekebileceğini gösteriyor. Kelam konusu yasa, ısı gücünün hep sıcak olandan soğuk olana aktığını söyler. Ancak yeni bulgular bu kuralın kozmikliğini tartışmaya açıyor.
Kuantum deneyinde ısı akışı bilakis çevrildi
Çin’deki Southern University of Science and Technology bünyesinde çalışan Dawei Lu ve ekibi, karbon, hidrojen ve oksijen atomları içeren krotonik asit molekülü üzerinde çalıştı. Araştırmacılar, moleküldeki dört karbon atomunun çekirdeğini kübit olarak kullandı. Kübitler, kuantum bilgisayarların temel yapı taşları ve kuantum bilgiyi depolayabilen üniteler olarak biliniyor.
Normal kurallarda araştırmacılar, hesaplama sırasında kübitlerin kuantum durumlarını elektromanyetik radyasyon darbeleriyle denetim ediyor. Bu deneyde ise takım, birebir denetim sistemini kullanarak ısıyı daha düşük sıcaklıktaki bir kübitten daha yüksek sıcaklıktaki bir kübite yanlışsız akıtmayı başardı.
Makroskobik dünyada, örneğin bir fincan kahvede, bu türlü bir sürecin bizatihi gerçekleşmesi mümkün değil. Isının zıt istikamette akabilmesi için ek bir güç kaynağı gerekir. Fakat kuantum ortamda farklı bir “yakıt” çeşidi devreye giriyor: koherens ismi verilen bir kuantum bilgi biçimi. Lu, “Bu kuantum bilgiyi sisteme enjekte edip denetim ederek ısı akışının tarafını bilakis çevirebiliyoruz” diyerek sonuçların kendilerini heyecanlandırdığını belirtiyor.
Termodinamiğin ikinci yasası kuantumda yine yazılıyor
Termodinamik maddelerinin kuantum ölçekte sorgulanması aslında şaşırtan değil. Bu yasalar 19. yüzyılda ortaya kondu; yani kuantum fiziğinin formel olarak geliştirilmesinden yaklaşık 100 yıl evvel. Bu çelişkiyi çözmek için Lu ve takımı, her bir kübit için “görünür sıcaklık” ismini verdikleri bir kavram hesapladı. Bu kavram, klasik sıcaklık tarifinin kuantum özellikleriyle, bilhassa de koherensle genişletilmiş bir versiyonu. Kuantum özellikler hesaba katıldığında, termodinamiğin ikinci yasasının yine sağlandığı ve ısının daha yüksek görünür sıcaklıktan daha düşük görünür sıcaklığa aktığı görüldü.
Brezilya’daki Federal University of ABC araştırmacılarından Roberto Serra’ya nazaran koherens üzere kuantum özellikler, tıpkı bir buhar makinesini çalıştırmak için kullanılan ısı üzere, bir tıp termodinamik kaynak olarak kıymetlendirilebilir. Serra, kuantum ölçekli bu mikroskobik kaynaklar manipüle edildiğinde termodinamik maddelerinin ihlal ediliyormuş üzere görünebileceğini söylüyor.
Ancak Serra’ya nazaran bu durum gerçek bir ihlal değil. Klasik termodinamik maddeleri, bu mikroskobik durumlara erişimimiz olmadığı varsayımıyla geliştirildi. Yeni maddelerin, artık bu durumlara erişebildiğimiz gerçeği dikkate alınarak yazılması gerekiyor.
Kuantum bilgisayarlar için yeni bir soğutma yolu
Araştırmacılar artık ısıyı aksine çevirme deneyini, kübitler ortasında ısı denetimini sağlayabilecek daha pratik bir protokole dönüştürmeyi hedefliyor. Kuantum bilgi ile ısı ortasındaki temel kontakları ortaya koymanın ötesinde, kübitleri daha aktif biçimde soğutmanın yollarını bulmak kuantum bilgisayarların performansını artırabilir. Süratle büyüyen kuantum bilişim dalı için bu çeşit gelişmeler kritik kıymet taşıyor.
Serra’nın vurguladığı üzere, klasik bilgisayarlar bile lakin ısınmayı ne kadar uygun denetim edebildikleri ölçüde verimli çalışabiliyor. Tıpkı prensip kuantum bilgisayarlar için çok daha hassas ve belirleyici olabilir. Isının istikamet değiştirebildiği bir kuantum gelecek, hem temel fizik anlayışımızı hem de geleceğin işlemcilerini derinden etkileyebilir.
