Kuantum mekaniğinin kuramsal temelleri 1925 yılında atılmıştı. Birleşmiş Milletler, kuantum teorisinin doğuşunun 100. yılı anısına 2025 yılını Uluslararası Kuantum Bilimi ve Teknolojileri Yılı ilan etti. Yıl boyunca dünyanın bir çok yerinde kuantum teorisinin yüzüncü yılı kutlama etkinlikleri, konferanslar, toplantılar, yarışmalar düzenlendi. Kuantum araştırmalarına herkesin erişimini sağlamak, bu alandaki çalışmaları teşvik etmek ve uluslararası iş birliklerini güçlendirmek, kuantum bilimi ve teknolojilerinin önemi konusunda küresel farkındalık oluşturmak bu etkinliklerin temel amacıydı.
Kuantum teknolojilerindeki son gelişmeler; sürdürülebilir kalkınma, iletişim, sağlık, sanayi gibi alanlarda büyük katkılar sunma potansiyelini gözler önüne seriyor. Yani artık kuantum yalnızca bir fizik bilimi değil; geleceğin teknolojilerini, toplumsal kalkınmayı şekillendirecek bir alan olarak görülüyor. Ayrıca 2025 Fizik Nobel Ödülü’nün kuantum bilgisayarların hayata geçirilmesinin önünü açan deneysel çalışmalara verilmesi, kuantum biliminin artık temel araştırmanın ötesine geçerek bilgi, enerji, iletişim ve güvenlik altyapısını da dönüştürmeye başladığının göstergesi olabilir. Kuantum fiziği 1900’lerin başlarında klasik fiziğin açıklayamadığı çeşitli olgulara bir açıklama getirme çabasının ürünüdür. 1925’te Werner Heisenberg ve Pascual Jordan’ın geliştirdiği matris mekaniği ve Erwin Schrödinger’in dalga mekaniği formülasyonu kuantum teorisinin doğuşunu simgeler. Onlarca yıl kuramsal bir araştırma alanı olarak ilerleyen kuantum fiziği, 1950’lardan sonra yeni teknolojik uygulamaların geliştirilmesinde kullanılmaya başlandı.
İlk nesil kuantum fizikçiler, klasik fizik ile açıklanamayan olguları anlamaya çalıştı. Mesela Max Planck’ın, ısınan metallerin belirli renklerde ışık saçmasını (kara cisim ışıması) açıklamak için enerjinin sürekli değil, yalnızca belirli değerlerde (quantized) yayıldığını öne sürmesi, doğanın sürekliliğine dayalı klasik yaklaşımın işlemediğini gösterdi. Einstein’ın ışığın metallerden elektron koparması olayını (fotoelektrik olay) ışık parçacıkları yani foton kavramıyla açıklaması ve Niels Bohr’un hidrojen atomunun yapısının elektronların sadece belirli enerji değerlerine sahip yörüngelerde dolandığı varsayımıyla açıklanabileceğini göstermesi, klasik Max Planck (1858-1947), Nobel ödüllü Alman fizikçi toplumsal kalkınmayı şekillendirecek bir alan olarak görülüyor. Ayrıca 2025 Fizik Nobel Ödülü’nün kuantum bilgisayarların hayata geçirilmesinin önünü açan deneysel çalışmalara verilmesi, kuantum biliminin artık temel araştırmanın ötesine geçerek bilgi, enerji, iletişim ve güvenlik fiziğin yetersiz kaldığını ve yeni bir matematiksel çerçevenin zorunlu olduğunu ortaya koydu. Kuantum teorisinin ilk temsilcileri olan bilim insanları, atomik düzeydeki olguları kuantum mekaniksel formüllerle açıklarken aynı zamanda kuramın bilinen gerçekliğe aykırı gözüken sonuçlarını felsefi olarak anlamlandırmaya çalıştı. Özellikle kuantum teorisinin dolanıklık (entanglement) veya konumsuzluk (non-locality) (belirli bir konumda bulunmama, yerel olmama) gibi klasik fizikte olmayan özellikleri bilim insanlarını yıllarca şaşırttı.
Sonraki kuşaktan bilim insanları, kuantum teorisinin klasik fizikle uyuşmayan sıradışı özelliklerini kabullenerek teoriyi daha sağlamlaştırdı ve kuantum teorisi yeni teknolojilerin geliştirilmesinde kullanılmaya başlandı. Günümüzde bu zaman dilimi “ilk kuantum devrimi” olarak tanımlanır.
Schrondinger’in denklemi, maddenin atomik ve atom altı seviyelerde nasıl davrandığının anlaşılmasına yardımcı oldu. Bu denkleme göre, gerçeklik kesin olmayıp, sadece ölçüldüğünde somutlaşan ihtimal dalgalarından oluşur.
Bu süreçte geliştirilen lazerler, manyetik rezonans görüntüleme, yarı iletken temelli elektronik cihazlar, entegre devreler gibi kuantum ilkelerine dayanan teknolojik uygulamalar günlük hayatta çığır açıcı değişimlere yol açtı. Kuantum teorisi fizik biliminin yanısıra kimya, malzeme bilimi, iletişim, tıp gibi diğer bilim alanlarını da şekillendirmeye başladı. Bu dönemde konumsuzluk ve parçacık-dalga ikilemi gibi kuantum mekaniğinin tartışmalı özelliklerinin ispatına yönelik deneylerler de tasarlanmaya başlandı. Düşünce deneyi olarak geliştirilen bu deneyler kuantum mekaniğinin formüllerinin doğruluğunu teorik olarak ortaya koydu. Daha sonraki yıllarda teknolojik imkânların gelişmesiyle test edildiler. Böylece kuantum teorisinin öngörüleri deneysel olarak doğrulanmış ve kuantum teorisinin geçerliliği güçlü bir biçimde kanıtlanmıştır.
bymuratdeniz / iStock
Bu ara dönemden sonra günümüze kadar olan zamanda bilim insanları çalışmaları daha ileri taşıdı ve kuantum parçacıkları tek tek kontrol etmeyi başararak kuantum ile bilişim arasında bağ kurdu. Bu gelişme “ikinci kuantum devrimi”ni başlattı. Kuantum kuramının, yaşadığımız “gerçek” dünya ile uyuşmayan özelliklerinin, bilgi işleme açısından bakıldığında, büyük bir potansiyel barındırdığı fark edildi. Davranışları kuantum fiziği ile açıklanan parçacıkların bilgiyi taşımak ve işlemek için kullanılabileceği ve buradan hareketle bir kuantum bilgisayar geliştirilebileceği fikri doğdu. Doğanın özünde olan kuantum yasalarını temel alarak geliştirilen bilgisayarlar, iletişim ve sensör teknolojileri, benzersiz verimlilik ve güvenlik avantajlarıyla teknolojinin tüm alanlarında yeni bir dönemi başlattı.
Son yıllarda, kuantum bilişimin temellerini atan birçok önemli bilimsel makale yayınlandı. Bilgi alışverişi sırasında gönderici ile alıcı arasında dış müdahalelerin tespit edilebilmesini mümkün kılan kopyalanamazlık teoremi (bir kuantum durumunun mükemmel bir kopyasının üretilemeyeceğini ifade eder) sayesinde kırılması imkânsız bir şifreleme sistemiyle kuantum iletişimin mümkün olduğu gösterildi. Ayrıca, kuantum mekaniği yasalarına dayalı bir kuantum bilgisayar fikri ortaya kondu. Bununla birlikte tam anlamıyla işlevsel bir kuantum bilgisayarın hayata geçirilmesi durumunda, günümüz dijital dünyasında bilgi aktarımında kullanılan şifreleme sistemlerinin ciddi bir tehdit altında olabileceğine dair makaleler de yayınlandı. Günümüzde kuantum bilgisayarların basit işlemleri yapabilen küçük ölçekli gösterimleri yapıldı. Gerçek kapasitesine ulaşması durumunda finans sektöründen malzeme bilimine, pil teknolojilerinden yeni ilaç keşiflerine kadar birçok alanda köklü değişikliklere yol açması beklenen kuantum bilgisayarlar çığır açıcı bir teknoloji olarak tanımlanıyor. İkinci kuantum yüzyılına girerken en çok merak edilen soru ise kuantum bilgi teknolojilerinin bu potansiyelin ötesinde hangi yeni uygulamaları ve dönüşümleri mümkün kılacağıdır. Gelişmelerin gerçekten ne kadar sarsıcı veya çığır açıcı olacağı herkesçe merak edilen bir konu.
Türkiye’de Kuantum Araştırmaları
Kuantum teknolojileri alanında Türkiye’de son yıllarda önemli bir ivmelenme oldu. Hem TÜBİTAK hem de üniversitelerimiz tarafından yürütülen çalışmalar ile kuantum haberleşme, kuantum kriptografi, kuantum sensör teknolojileri ve entegre kuantum fotonik gibi alanlarda araştırma altyapıları kuruldu.
Kuantum kriptografi çalışmalarının temelleri TÜBİTAK BİLGEM’de yaklaşık on yıl önce atılmıştı. Günümüzde ise araştırmalar daha geniş kuantum teknolojileri çerçevesinde devam ediyor. Örneğin kuantum sensörler manyetik alanı oldukça hassas seviyelerde ölçebilen bir kuantum elmas manyetometrenin laboratuvar ölçeğinde bir prototipi geliştirildi. Kuantum kriptografide kullanılan rastgele asal sayı üreteci (QRNG) ise hâlen sahada kullanılıyor.
Ayrıca kuantum entegre fotonik devrelerinin (QPIC) tasarımı ve üretimi üzerine çalışmalar yürütülüyor. Bu devreler kuantum haberleşme ve kriptografi, kuantum bilgisayar işlemcisi gibi birçok önemli teknolojide kullanılabilecek. BİLGEM’de bu çalışmaların yanı sıra kuantum teknolojilerinin önemli bir girdisi olan tek-foton üretimi ve karakterizasyonu konusunda AR-GE faaliyetleri devam ediyor.
Ayrıca QTurkey topluluğu ve çeşitli üniversitelerdeki lisansüstü programlar, kuantum okuryazarlığının yaygınlaşmasına katkı sağlamayı amaçlıyor. Tüm dünyada kuantum alanında yetişmiş insan gücüne olan ihtiyacın hızla artması, Türkiye’de de bu alanda uzmanlaşmış araştırmacı ve mühendislerin yetişmesine yönelik çalışmaları önemli hâle getiriyor.
Dolayısıyla bu temel çalışmalar, ülkemizin gelecekteki kuantum çağına hazırlanması açısından stratejik önem taşıyor. Çünkü kuantum ilkelerinin güvenilir, erişilebilir ve ölçeklendirilebilir teknolojilere dönüştürebilme kapasitesi, önümüzdeki yüzyılın teknolojik kalkınmasında belirleyici bir rol üstlenecek.
Nice yüzyıllara kuantum!
Kaynaklar:
https://bilgem.tubitak.gov.tr/uekae/
https://www.sciencenews.org/article/quantum-theory-history-reality-uncertainty-physics
