‘Tahayyül edilemeyen’ deneyler tasarlayan bir yapay zeka

Araştırmacılar, kuantum parçacıklarının tuhaf doğasını daha iyi anlamak için hayal gücümüzün bile ötesinde deneylere imza atan bir yazılım geliştirdi.

Viyana Üniversitesi‘nden fizikçi Mario Krenn gibi bilim insanları için bile kuantum fiziği zaman zaman içselleştirelemeyecek kadar beklentilere aykırı/karşısezisel [‘counterintuitive’] olabiliyor. Bu özelliğinden dolayı kuantum fiziği alanında çalışan araştırmacılar, diğer alanlardaki meslektaşlarına kıyasla yeni deneyler tasarlayabilmek konusunda epey zorlanıyorlar. Krenn ve meslektaşları bu duruma karşı önsezilerine yenik düşmeden kuantum fenomenlerini içeren deneyleri tasarlaması için bir bilgisayar programı geliştirdiler.

Bildiğimiz bütün parçacıkların1 davranışı kuantum fiziksel prensiplerle açıklanabilmektedir. Bu alanla ilgili zorlayıcı ve belirleyici olan özellik ise evrenin en küçük ölçeklerde belirsiz ve garip bir şekilde işliyor olmasıdır. Bu garipliğe örnek olarak atomaltı parçacıkların sahip olduğu süperpozisyon prensibini düşünebiliriz. Süperpozisyon prensibi yüzünden bir parçacığın belli bir zamanda bulunduğu pozisyon tekil olmayabilir veya parçaçıklar aynı anda iki farklı yönde “dönebilirler.2”   Buna ek olarak kuantum dolanıklık adı verilen bir özellik yüzünden iki veya daha fazla obje, aralarındaki mesafeye bakılmaksızın birbirlerini aynı anda etkilerken gözlemlenebilirler. (Burada “gözlemlenebilirlik” önemli bir faktör, zira kuantum dolanıklık bu faktör gözardı edilmeden yorumlanırsa ışık hızından yüksek hızları gerektiren bir fenomen haline gelebilir. Dolanıklık ve beraberinde getirdiği sorunlar için şuradan okumaya başlayabilirsiniz: EPR-Paradoksu.)

Kuantum fiziğinin gerçekötesi doğası bilim insanları için bile kabullenmesi zor bir mesele. Süperpozisyon ile ilgili en ünlü analoji olan Schrödinger’in kedisi, aslında süperpozisyonun absürdlüğüne dikkat çekmek için geliştirilmiş bir analojidir ve gözlemlenmediği takdirde hem ölü hem diri olan bir kedi bu fenomenin popülerleşmesine yardımcı olmuştur. Buna ek olarak Albert Einstein dolanıklık ile ilgili “gaipten uzak etki” (spukhafte Fernwirkung/spooky action at a distance) yorumunu yapmıştır. Bunlara rağmen sayısız deney bize dolanıklık dahil olmak üzere kuantum fiziksel prensiplerin geçerliliğini göstermiştir.

Krenn ve meslektaşları bahsedilen programı geliştirmeden önce dolanıklığın daha kompleks bir formunu oluşturmaya çalışıyorlardı ama Krenn’in söylediklerine göre haftalar süren denemelerin sonunda; önsezilerinin bir çözüm elde etmenin yolunu kestiğini gördüler. Bunun üzerine “daha radikal bir yaklaşımın işe yarayabileceğini” düşündüler.

Sorunlarına çözüm olarak MELVIN adını verdikleri bir program geliştirdiler. Yazılım, öncelikle kuantum deneylerinin temel taşları olan ayna ve hologram gibi objeleri sanal bir ortamda tekrar tekrar düzenleyerek deneyi yapanların arzuladıkları karşısezisel düzenekler geliştiriyor. Geliştirilen düzenek işlevsel ise basitleştirilerek yeniden sunuluyor. Krenn, MELVIN’i ilk kullanışı hakkında, “Programı akşam başlatmıştım. Ertesi sabah birkaç yüz bin denemenin sonunda doğru bir sonuç bulabilmişti,” diyor. Araştırmacılar bulgularını 4 Mart’ta Physical Review Lettersda internet üzerinden yayınladılar.

Görsel: Robert Fickler / Viyana Üniversitesi

Görsel: Robert Fickler / Viyana Üniversitesi

MELVIN’in kullanıldığı başka bir denemede araştırmacılar dolanık halde bir grup parçacığın polarizasyon gibi özelliklerini parçacıkların arasında döngüsel olarak değiştirdiler. Benzer döngüsel işlemlerin kırılması imkansıza yakın kuantum kriptografi alanında kullanışlı olabileceği tahmin ediliyor.

MELVIN’in asıl özelliği bilim insanlarının kendi başlarına geliştiremeyeceği, öngörülemez çözümler geliştirebiliyor olması. Örneğin programın GHZ hallerini (Greenberger-Horne-Zeilinger State3) elde etmek için geliştirdiği 51 deneyin 50 tanesi dolanıklık halindeki ışınların deney düzeneğinden izole alıcılara doğrultulmasını gerektiriyordu. Krenn bu deneyler hakkında “En son elde edilen çözümü hesaplayabilsem bile çözümü hâlâ içselleştiremiyorum,” dedi.

MELVIN ilk adım olarak deney bileşenlerini rastgele bir biçimde sıralıyor ama Krenn’e göre deneyimlerinden sonuç çıkarma yeteneği de var.” Buna göre daha önce bulduğu uygun çözümleri ileride kullanmak üzere hafızasına kaydedebiliyor. Bu sayede çözüm bulma hızı her deney ile yüzlerce kat artıyor.

Olumlu bulgulara karşılık, araştırmalara katılmayan Cenevre Üniversitesi çalışanı Nicolas Gisin, “Açıkçası ben pek etkilenmedim. Bu makale büyük ihtimalle çok sayıda tartışmaya neden olacak,” diyor.

Araştırmada katkısı bulunmayan başka bir bilim insanı, kuantum fizikçi MIT çalışanı Seth Lloyd ise MELVIN’in iyi bir fikir olduğunu düşünüyor: “Kuantum mekaniğinin sıradışı doğası gerçekten de yeni deneyler için fikir üretmemizi zorlaştırıyor.” Buna rağmen Lloyd MELVIN’i devrimsel bir adım olarak görmüyor. Bilim insanları uzun zamandır çeşitli araştırmalar için bilgisayar yazılımlarından faydalanıyorlardı ve ona göre MELVIN aynı paradigmanın ürünü ama “Bu yöntem işimize yarayabilecek karmaşık kuantum hallerini oluşturmamızda çok işe yarayacaktır. Şimdi kesinlikle tahmin edemeyeceğimiz özelliklere sahip yeni halleri keşfedebilirlerse bu büyük bir buluş olacaktır,” diye de ekliyor.

1 Bir hidrojen atomu çekirdeğinin yarıçapından daha küçük bir yarıçapa sahip olan tüm madde birimleri, tekil halde (temel) atomaltı parçacıklar olarak adlandırılabilir. Kuantum mekaniği, atomaltı parçacıkları ve oluşturdukları sistemleri açıklamakta başarılıdır.

2 Dönmekten kastedilen, parçacıkların sahip oldukları “Spin” adlı bir özelliktir. Parçacıkların spinleri makroskopik boyutlarda analojiye sahip olan bir özellik değildir. Çok küçük ölçeklerdeki parçacıklar incelenirken spin ve benzeri özellikleriyle ayırt edilirler ve bu parçacıkları günlük hayatımızda karşımıza çıkan objelerle (örn: tenis topu, olta sicimi) doğrudan bir benzerlik içerisinde değerlendirmek mümkün değildir.

3 GHZ Hali, bir kuantum halidir. Kuantum halleri, saf veya karışık olmak üzere kategorize edilebilen matematiksel özelliklerdir.

Kaynak: Physicists Unleash AI to Devise Unthinkable Experiments, Charles Q. Choi. Scientific American