Sonsuz Ark/ Evrensel Çerçeveye Yolculuk
"Verileri mükemmel bir şekilde silmek ve mümkün olan en düşük sıcaklığa ulaşmak birbiriyle ilgisiz görünebilir, ancak aralarında güçlü bir bağlantı var. TU Wien'deki araştırmacılar termodinamiğin üçüncü yasası için bir kuantum formülasyonu keşfettiler."
Absolute Zero Is Attainable? Scientists Have Found a Quantum Formulation for the Third Law of Thermodynamics
Mümkün olan en düşük sıcaklık olan mutlak sıfırın sıcaklığı -273,15 santigrat derecedir. Ancak, nesneler bu sıcaklığa sadece yaklaşabildiğinden bu sıcaklığa ulaşmak imkansızdır. Bu kavram termodinamiğin üçüncü yasası olarak bilinir.
Viyana Teknik Üniversitesi'nden (TU Wien) bir grup araştırmacı kısa bir süre önce termodinamiğin üçüncü yasasının kuantum fiziği ilkeleriyle uyumluluğunu araştırdı. Bu yasanın, mutlak sıfıra ulaşmanın teorik olarak mümkün olduğunu öne süren bir "kuantum versiyonunu" başarıyla formüle ettiler. Ancak, bunu başarmak için uygulanabilir herhangi bir yöntem üç bileşen gerektirir: enerji, zaman ve karmaşıklık. Mutlak sıfıra ancak bu unsurlardan biri sonsuz miktarda mevcutsa ulaşılabilir.
Bilgi ve termodinamik: görünürde bir çelişki
Kuantum parçacıkları mutlak sıfıra ulaştığında, durumları kesin olarak bilinir: En düşük enerjiye sahip durumda oldukları garanti edilir. Parçacıklar artık daha önce hangi durumda olduklarına dair hiçbir bilgi içermezler. Daha önce parçacığın başına gelmiş olabilecek her şey mükemmel bir şekilde silinir. Kuantum fiziği açısından bakıldığında soğutma ve bilgi silme birbiriyle yakından ilişkilidir.
Bu noktada iki önemli fiziksel teori buluşmaktadır: Bilgi teorisi ve termodinamik. Ancak bu ikisi birbiriyle çelişiyor gibi görünüyor: "Bilgi teorisinden, Landauer prensibi olarak adlandırılan prensibi biliyoruz. Bir bit bilgiyi silmek için çok spesifik bir minimum enerji miktarının gerekli olduğunu söylüyor," diye açıklıyor TU Wien Atom Enstitüsü'nden Prof. Marcus Huber, Ancak termodinamik, herhangi bir şeyi tam olarak mutlak sıfıra kadar soğutmak için sonsuz miktarda enerjiye ihtiyacınız olduğunu söylüyor. Peki ama bilgiyi silmek ve mutlak sıfıra soğutmak aynı şeyse - bu nasıl bir araya geliyor?
Enerji, zaman ve karmaşıklık
Sorunun kökleri, termodinamiğin 19. yüzyılda klasik nesneler için - buhar makineleri, buzdolapları veya parlayan kömür parçaları için - formüle edilmiş olmasında yatmaktadır. O zamanlar insanların kuantum teorisi hakkında hiçbir fikri yoktu. Tek tek parçacıkların termodinamiğini anlamak istiyorsak, öncelikle termodinamik ve kuantum fiziğinin nasıl etkileşime girdiğini analiz etmeliyiz - ve Marcus Huber ve ekibinin yaptığı da tam olarak buydu.
Marcus Huber, "Mutlak sıfıra ulaşmak için ille de sonsuz enerji kullanmanız gerekmediğini hemen fark ettik," diyor. "Sonlu enerjiyle de mümkün - ama o zaman bunu yapmak için sonsuz uzun bir zamana ihtiyacınız var." Bu noktaya kadar yapılan değerlendirmeler, ders kitaplarından bildiğimiz klasik termodinamikle hala uyumlu. Ancak ekip daha sonra çok önemli bir ayrıntıyla karşılaştı:
Marcus Huber, "Sonlu enerjide ve sonlu zamanda bile mutlak temel duruma ulaşılmasını sağlayan kuantum sistemlerinin tanımlanabileceğini bulduk - hiçbirimiz bunu beklemiyorduk" diyor. "Ancak bu özel kuantum sistemlerinin bir başka önemli özelliği daha var: sonsuz derecede karmaşıklar." Yani kuantum sisteminin sonsuz sayıda detayı üzerinde sonsuz hassasiyette bir kontrole ihtiyacınız var - o zaman bir kuantum nesnesini sonlu enerjiyle sonlu zamanda mutlak sıfıra kadar soğutabilirsiniz. Elbette pratikte bu, sonsuz yüksek enerji ya da sonsuz uzun zaman kadar ulaşılmazdır.
Kuantum bilgisayarında veri silme
Marcus Huber, "Yani bir kuantum bilgisayarında kuantum bilgisini mükemmel bir şekilde silmek ve bu süreçte bir kubiti mükemmel saflıkta bir temel duruma aktarmak istiyorsanız, teorik olarak sonsuz sayıda parçacığı mükemmel bir şekilde kontrol edebilen sonsuz karmaşıklıkta bir kuantum bilgisayarına ihtiyacınız olacaktır" diyor. Ancak pratikte mükemmellik gerekli değildir - hiçbir makine asla mükemmel değildir. Bir kuantum bilgisayarının işini oldukça iyi yapması yeterlidir. Dolayısıyla yeni sonuçlar prensipte kuantum bilgisayarların geliştirilmesinin önünde bir engel teşkil etmiyor.
Kuantum teknolojilerinin pratik uygulamalarında sıcaklık günümüzde kilit bir rol oynamaktadır - sıcaklık ne kadar yüksek olursa, kuantum durumlarının kırılması ve herhangi bir teknik kullanım için kullanılamaz hale gelmesi o kadar kolay olur. Marcus Huber, "Kuantum teorisi ile termodinamik arasındaki bağlantıyı daha iyi anlamak işte tam da bu yüzden çok önemli" diyor. "Şu anda bu alanda pek çok ilginç ilerleme var. Fiziğin bu iki önemli parçasının nasıl iç içe geçtiğini görmek yavaş yavaş mümkün hale geliyor."
VIENNA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, 6 Nisan 2023, SciTechDaily
Mustafa Tamer, 24.05.2023, Sonsuz Ark, Çeviri, Bilim ve Teknoloji, Aklın Merdivenleri
Referans: "Landauer Nernst'e Karşı: Bir Kuantum Sistemini Soğutmanın Gerçek Maliyeti Nedir?" Philip Taranto, Faraj Bakhshinezhad, Andreas Bluhm, Ralph Silva, Nicolai Friis, Maximilian P.E. Lock, Giuseppe Vitagliano, Felix C. Binder, Tiago Debarba, Emanuel Schwarzhans, Fabien Clivaz ve Marcus Huber, 27 Mart 2023, PRX Quantum. DOI: 10.1103/PRXQuantum.4.010332
- Sonsuz Ark'ta yayınlanan yazılardan yazarları sorumludur.
- Sonsuz Ark linki verilerek kısmen alıntı yapılabilir.
- Sonsuz Ark yayınları Sonsuz Ark manifestosuna aykırı yayın yapan sitelerde yayınlanamaz.
- Sonsuz Ark Yayınlarının Kullanımına İlişkin Önemli Duyuru için lütfen tıklayınız.