Kuantum Dolanıklık

Kuantum dolanıklık, iki veya daha fazla parçacığın kuantum durumlarının birbirinden bağımsız olarak tanımlanamayacak şekilde birleştiği bir durumdur. Bu tür sistemlerde, parçacıklar birbirinden ne kadar uzakta olursa olsun, birinin ölçümü diğerinin durumunu anında belirler. Dolanıklık, kuantum mekaniğinin klasik fizikten radikal biçimde ayrıldığı temel özelliklerden biridir.

Kuantum dolanıklık kavramı, 1935 yılında Albert Einstein, Boris Podolsky ve Nathan Rosen tarafından yayımlanan “EPR Makalesi” ile teorik olarak gündeme gelmiştir. Makalede, kuantum teorisinin eksik olduğu öne sürülmüş, özellikle yerel gerçekçilik ilkesi temel alınarak “gizli değişkenler” yoluyla daha tamamlayıcı bir kuramın gerektiği savunulmuştur. EPR, dolanık iki parçacık üzerinden yapılan ölçümlerin birbirini anında etkilemesinin “uzaktan hayaletimsi etki” olduğunu ve fiziksel gerçeklikle çeliştiğini ileri sürmüştür.

Aynı yıl Erwin Schrödinger, EPR’nin argümanını incelemiş ve bu tür sistemlerin “entangled” (dolanık) olduğunu ifade etmiştir. Schrödinger'e göre, dolanıklık kuantum teorisinin “temel olmayan yönü” değil, en ayırt edici özelliğidir. Bu noktada dolanıklık, kuantum kuramının merkezinde konumlanmıştır.

Kuantum sistemleri, durum vektörleri (state vectors) aracılığıyla tanımlanır. Tek bir parçacığın durumu bir Hilbert uzayında ∣ψ⟩|\psi\rangle

∣ψ⟩ vektörü ile temsil edilir. Eğer iki parçacıklı bir sistemin durumu şu şekilde ifade edilebiliyorsa:

∣ψ⟩=∣ψA​⟩⊗∣ψB​⟩

bu durumda sistem ayrık (separable) bir yapıdadır. Ancak sistem şu şekilde yazılamıyorsa:

∣ψ⟩=∣ψA​⟩⊗∣ψB​⟩

bu tür durumlar dolanık (entangled) olarak adlandırılır. Örneğin Bell durumlarından biri olan:

∣Φ+⟩=1/√2(∣00⟩+∣11⟩)

bu iki kübitlik sistem, ayrı ayrı ifade edilemeyen bir dolanık sistemdir. Bu sistemde yapılan bir ölçüm, diğer parçacığın durumunu anında belirler.

Dolanıklığın kuantum ölçüm ve süperpozisyon prensipleriyle yakın ilişkisi vardır. Ölçüm yapıldığında sistemin dalga fonksiyonu çöker ve dolanık parçacıkların ölçüm sonuçları arasında istatistiksel olarak açıklanamaz derecede güçlü korelasyonlar gözlemlenir.

1964 yılında John S. Bell, EPR makalesinde öne sürülen yerel gerçekçilik varsayımını test edebilecek bir matematiksel çerçeve geliştirdi: Bell eşitsizlikleri. Bu eşitsizlikler, klasik yerel teorilerle elde edilebilecek korelasyonların üst sınırlarını belirler. Eğer bir deney Bell eşitsizliğini ihlal ediyorsa, sistem klasik yerel gizli değişkenlerle açıklanamaz.

1981–1982 yıllarında Alain Aspect ve ekibi, Bell eşitsizliklerini test eden deneyler gerçekleştirmiş ve kuantum teorisinin öngördüğü korelasyonların klasik yerel modelleri aştığını göstermiştir.

2015 yılında gerçekleştirilen loophole-free Bell testleri (örneğin Delft Üniversitesi'nden Ronald Hanson’un çalışması), deneysel boşlukları (örneğin dedektör verimliliği ve ölçüm seçiminde rastgelelik) ortadan kaldırarak Bell eşitsizliklerinin ihlalini daha sağlam biçimde doğrulamıştır.

Dolanıklık, BB84 protokolü gibi kuantum anahtar dağıtımı yöntemlerinde bilgi güvenliğini sağlamak için kullanılır. Örneğin iki kullanıcı, dolanık fotonları kullanarak dış müdahaleye karşı bağışıklığı olan ortak bir şifreleme anahtarı oluşturabilir.

1997 yılında Anton Zeilinger’in ekibi tarafından başarıyla gerçekleştirilen deneyde, bir parçacığın kuantum durumu, dolanık iki parçacık üzerinden uzaktaki başka bir parçacığa aktarıldı. Bu süreç, fiziksel maddeyi değil, kuantum bilgisini taşır.

Kuantum bilgisayarlarda kullanılan qubit'ler arasındaki dolanıklık, işlemlerin paralel yürütülmesini sağlar. Shor algoritması gibi algoritmalar dolanıklık olmadan çalışamaz.​