Altmışlı yılların popüler Amerikan kültürünün ürünü olan Star Trek’i Türkiye yetmişli yıllarda izledi. Siyah beyaz ve tek kanallı televizyon döneminde yayınlanan Uzay Yolu, dönemin gençliğini bir çok fiziksel kavramla ilk kez tanıştırdı. Işık hızı, kurt delikleri, zamanda yolculuk, laser ve belki de en etkileyici olanı ışınlama. Gezegenlere iniş kalkış sahnelerinin dizinin bütçesini zorlayacağı anlaşılınca kullanılmaya karar verilen “Transporter” cihazı.

Bir kabine giriyorsunuz, temel parçacıklarınıza ayrılıyorsunuz bu parçacıkları bir ışın halinde gitmek istediğiniz yere gönderiyorsunuz orada tekrar birleştiriliyorsunuz. Çalışma ilkesi çok basit. İyi bir analiz ve kusursuz bir sentez. Doğa’nın bilinebilirliği ve neredeyse bilimin temeli nedensellik ilkesi ile ilgili sorunu olmayan herkes için mümkün görünüyor. Temel parçacıklarınızın ışınlama anındaki fiziksel gözlenirlerini ölçer ve bu parçacıkları ölçtüğünüz başlangıç koşullarını koruyarak birleştirirseniz neden olmasın?
Teknik sorunların çözümünü ilerideki kuşaklara bırakan bir bilim kurgu dizisi için bile ciddi sorunlar var. 1960’larda Heisenberg’in Belirsizlik ilkesi biliniyordu. Bir temel parçacığın başlangıç koşullarını, yani konumunu ve momentumunu aynı anda kesin olarak bilemedikten sonra böylesi detaylı bir analizi nasıl yapacağız. Birleştirdiğimiz temel parçacıklar topluluğuna hangi güvenle “biziz”, yani yeniden oluşturduğumuz yapı analizden önceki maddeye özdeştir diyebileceğiz.

Uzay Yolu yazarlarının ışınlamanın kendisini incelemekten farklı kaygıları olduğu için o­nlar yalnızca iç tutarlılığı korumaya çalıştılar ve Heisenberg Dengeleyicisi adını verdikleri bir aygıt keşfederek “Transporter”ın işleyişini bu cihaza dayandırdılar. Heisenberg Dengeleyicisi nasıl mı çalışıyormuş? Dizinin teknik danışmanının bu soruya verdiği yanıta göre “çok iyi çalışıyormuş”. Biz daha ikna edici olmaya çalışacağız.

Işınlama ile ne kastediyoruz? Işınlama bir tür “anlık” ve “bütünlüksüz” taşımadır diye genelleyebiliriz. Yani taşınacak madde ortadan kayboluyor aynı anda bir başka yerde ortaya çıkıyor. Hatta acelemiz yoksa “anlık” olmasından da vazgeçebiliriz. Ama ışınlamanın, maddeyi kamyonla taşımaktan daha çekici yanı olan, bütünlüksüz taşıma, temel parçacıklara ayırma özelliğinden vazgeçemeyiz. Işınlamayı aslında heyecan verici ve çekici kılan maddenin eksiksiz olarak “tüm” özelliklerinin belirlenmesi yani o­nu bilebileceğimiz düşüncesidir.

Heisenberg’in Belirsizlik ilkesi nedeniyle yakın zamanlara kadar ışınlama fizikçilerin ilgi alanı dışında kalmıştı. Çünkü bu ilkeyi çiğnemeden (hem bunu yapmak hem de ciddiye alınmaya devam etmek isterseniz Kuantum Mekaniği yerine geçecek yeni bir kuram oluşturmalısınız) bir kuantum durumunun tam bir kopyasını yapamazsınız. Yani kuantum durumları kopyalanamaz.

“Tam bir kopya” vurgusu önemli. Çünkü ışınlamayı “pragmatik” amaçlarla tartışmıyoruz. Yoksa maddenin tüm kuantum durumlarını aktarmaya ne gerek var diyerek işin içerisinden çıkabilirdik. Kaybolan ile yeniden oluşturulan madde arasında bir tür ayırdedilemezlik yani bir özdeşlik aramadığımız sürece gündelik yaşamda “ışınlama” ile sık sık karşılaştığımızı söyleyebiliriz. Her para transferi yaptığımızda paramız bir bankadan diğerine “ışınlanmıyor” mu? Birinde yok olurken diğerinde ışık hızıyla varoluyor. Bu durumda tüm kuantum durumlarını aynen iletmediğimiz için ışınlamadan değil gündelik yaşamın bir parçası olduğu için hiç heyecan verici olmayan klasik bilgi iletiminden söz ediyoruz demektir.

1993’te IBM araştırmacılarından altı bilim adamı (Bennett, Brassard, Crepau, Jozsa, Peres, Wooters) fiziksel bir nesneye ait bilinmeyen bir kuantum durumunun, nesnenin kendisini iletmeden “Quantum Teleportation” olarak adlandırdıkları bir süreç ile iletilebileceğini gösterdiler. Bu süreç ile belirsizlik ilkesi çiğnenmeden, EPR olgusu kullanılarak bir kuantum durumu başka bir yerde yeniden oluşturulabiliyordu.

EPR Olgusu (Einstein, Podolsky, Rosen) başlangıçta kuantum teorisinin eksikliğini kanıtlamak için Einstein ve arkadaşlarınca bir paradoks olarak ileri sürülen bir düşünce deneyiydi. Ancak ilerleyen yıllar boyunca (daha önce mümkün olmayan) EPR’ye dönük deneylerin yapılması bu olayın paradoks olmaktan çok “doğanın davranışı” olduğu düşüncesinin ağır basmasına neden oldu. EPR olgusunun en garip gelen yönü ise iki “dolaşık” (entangled) parçacığın aralarında çok büyük mesafeler varken bile birbirlerinin kuantum durumlarını “anlık” olarak (dolayısıyla ışıktan hızlı) etkileyebilmeleri.

Benneth ve arkadaşlarının öne sürdükleri ışınlama olayında bir parçacığı ışınlanacağı yerde oluşturmak için EPR etkisiyle anında aktarım yeterli olmuyor, parçacığın başlangıç yerinden, ışınlanacağı yere klasik bilgi kanalıyla (yani ışık hızı geçilmeden) ek bir bilgi iletilmesi gerekiyor.

Öne sürülen ışınlamanın belirsizlik ilkesinden kurtulabilmesi ise EPR etkisiyle mümkün oluyor. Başlangıç noktasındaki ışınlama operatörüne Gönderen (G), sonuç noktasındakine Alan (A) diyelim. Işınlama tanımımız başlangıç noktasında G’nin parçacık hakkındaki tüm bilgiyi elde etmesini, bu bilgiyi sonuç noktasına A’ya iletmesini, A’nın de burada parçacığı iletilen bilgiyi kullanarak yeniden oluşturmasını gerektiriyordu. Bu süreç belirsizlik ilkesi’ne takılıyordu. (Gönderen, parçacık hakkında tam bilgi elde edemez). Benneth’in yönteminde ise ne G ne de A, ışınlanacak parçacığın bilgisine sahip olmuyor. Bunun yerine (dolaşık) aracı bir parçacık kullanılıyor. Aracı parçacık G’deki parçacığın özelliklerini A’ya taşımada kullanılıyor. Bu taşıma kuantum dolaşıklığının sağladığı EPR olgusu ile “anında” gerçekleşiyor.
1993 yılında Benneth ve arkadaşlarının makalesiyle teorisi oluşturulan bu deney 1997 yılının sonlarına doğru Insbruck’ta Anton Zellinger ve arkadaşları tarafından yapıldı. Innsbruck deneyinde ışınlanan parçacık ise ışığın kendisiydi. Yani foton.

Bir fotonu iki karakteristik özellik ile tanımlayabiliriz. Dalga boyu (frekans) ve polarizasyon. Işık dalga olarak bakıldığında aslında bir elektromanyetik alandır. Polarizasyon ise elektromanyetik alanın yönü anlamına gelir. Dalgaboyları aynı iki fotonun polarizasyonları da aynı ise aralarında hiçbir fark yoktur. Ayırdedilemezdirler, özdeştirler. Dolayısıyla bir fotonun polarizasyonunu başka bir yerdeki (aynı dalga boyundaki) fotona aktarabilirsem fotonun tıpkısını orada elde etmiş (yani buradaki fotonu ışınlamış) olurum. Deneyde yapılan da tam olarak budur. Ancak bir farkla; ışınlanan her dört fotondan yalnızca birisinin polarizasyonu orjinali ile aynıdır. G’nin ışınlama için yaptığı işlem sonucunda olasılıkları birbirinin aynı olan dört seçenekten birisi gerçekleşir. Bu seçeneklerden birisinde A’deki (yani varış noktasındaki) fotonun polarizasyonu G’daki (yani başlangıçtaki) foton ile aynıdır. Geriye kalan fotonlar farklı olmakla birlikte eğer (G)önderen , (A)lana hangi seçeneğin gerçekleştiğini bildirirse A fotonu basit bir işlemden geçirerek yine orjinal fotona özdeş bir foton elde eder. Yani tam bir ışınlama için ışıktan hızlı iletilemeyen klasik bilginin aktarımına gerek vardır.

İki parçacık EPR çifti oluşturduklarında birbirleriyle “dolaşık” (entangled) duruma gelirler. Parçacıkların dolaşık hale gelmesi artık her birinin ayrı ayrı kendilerine ait özelliklerinden söz edilememesi ancak birbirlerine göre durumlarından söz edilebilmesi demektir. İki foton dolaşık olduğu zaman her bir fotonun polarizasyonundan söz edemeyiz; ancak bu iki fotonun birbirlerine göre durumundan (örneğin dik olduklarından) söz edebiliriz. Eğer bu iki fotondan birisinin polarizasyonunu ölçmeye kalkarsak, bu kez her iki fotonun polarizasyonunu öğrenmiş oluruz. (polarizasyonların birbirine göre durumunu bildiğimizden ikincinin polarizasyonu da belli olur) Ancak bu kez dolaşıklık durumu ortadan kalkar, iki foton birbirinden bağımsız hale gelirler.

Innsbruck deneyi bu dolaşıklık olgusunu kullanıyor. Polarizasyonları birbirine dik olan dolaşık bir foton çifti yaratıp bunlardan birisini G’ye (buna Foton 2 diyelim) diğerini A’ya (buna da Foton 3 diyelim) gönderelim. G’ye gönderdiğimizi ışınlayacağımız fotonla (Foton 1 olsun) birlikte işlemden geçirerek polarizasyonları birbirine dik olacak şekilde dolaşık (entangled) duruma getirelim. O zaman hem Foton 1 in hem de Foton 3 ün polarizasyonları Foton 2 ye dik dolayısıyla birbirleriyle aynı doğrultuda olacaktır. Dalga boylarını da aynı seçtiğimiz için Foton 1 ve Foton 3 birbiriyle özdeş olacak. Yani G’deki Foton 1 A’ya (foton 3) ışınlanmış olacaktır.

İlk bakışta hile ya da laf cambazlığı varmış gibi görünüyor. Foton 3’ün başlangıçta belli bir polarizasyonu vardı. Foton 2 ninki buna dikti. Foton 1 başlangıçta foton 2 ye dik değilse ikisini dolaşık (polarizasyonlarını birbirine dik) duruma getiren işlem sonucunda en az birinin polarizasyonu değişmiş demektir. Bu durumda ya Foton 2 nin polarizasyonu değişti ve artık Foton 2, Foton 3’e dik değil ya da Foton 1 artık orjinal polarizasyonunda değil. Dolayısı ile ışınlamayı açıklarken yürütülen mantık yanlış gibi görünüyor. Kuantum kuramının sağduyuya aykırı (ya da garip) gelen özelliklerinden birisi burada ortaya çıkıyor.
Kuantum kuramına göre yanlış olan ışınlamayı açıklarken yürütülen mantık değil. Foton 2 nin ve Foton 3 ün başlangıçta bir polarizasyonları olduğu düşüncesi. Kuantum kuramının ortodoks yorumuna göre bir parçacığın yeni bir ölçüm yapıp sistemi bozmadan bilemeyeceğimiz niteliklerinin “var olduğunu düşünmememiz” gerekir. Yani Foton 3 ün başlangıçta kendi polarizasyonunun ne olduğunu bilmememizden öte, kendi polarizasyonu zaten yoktur, polarizasyonun ne olabileceğine dair olasılıklar vardır. Polarizasyona ilişkin “varolan” tek şey Foton 2 ninkine dik olduğudur. Bu nedenle Foton 1 ile Foton 2 yi dolaşık duruma getiren işlem sırasında, daha önce belli bir polarizasyona sahip olmayan Foton 3, hem Foton 1 ile Foton 2 hem de Foton 2 ile Foton 3 anlattığımız diklik bağıntılarını sağlayacak bir polarizasyon durumuna yerleşiyor. Foton 3 ün polarizasyonu diye bir bilgiden söz edebileceğimiz an kendisinin polarizasyonunu ortaya çıkartacak bir ölçme yaptığımız andır. Eğer biz bunu test etmek için Foton 1 ile Foton 2 yi dolaşık duruma getirilmeden önce Foton 3 ün polarizasyonunu ölçseydik Foton 1 ile Foton 3 ün polarizasyonları birbirinden bağımsız olurdu. Bu durumda ışınlama gerçekleşmez, yani Alan taraftaki Foton 3’ün polarizasyonu Gönderen taraftaki Foton 1 den bağımsız olduğu için Fotonun ışınlandığını söyleyemezdik.

EPR olgusu, yani uzaktan anında etki burada ortaya çıkıyor. (G)önderen ile (A)lan arasındaki uzaklık istenildiği kadar fazla olabilir. G Dünya’da, A yüzbin ışık yılı uzakta bir başka galakside yer alabilir. Foton 3 ün polarizasyonunu, G nin Foton1 ile Foton 2 yi dolaşık duruma getiren işlemi yaptığı “anda” belirlemesi demek G nin yaptığı işlemin anında yüz bin ışık yılı ötedeki parçacığı etkilemesi demektir. Diyelim A’daki operatör Foton 3 ün polarizasyonunu ölçmeye karar verdi. Bunu (yüz bin ışık yılı ötedeki) G Foton 1 ve Foton 2 yi bağıntılı hale getirdikten bir saniye sonra yaparsa elde edeceği sonuç Foton 1’in polarizasyonu olacaktır. Ölçümü bir saniye önce yaparsa bulacağı sonuç Foton 1’in polarizasyonundan tümüyle bağımsız olacaktır.

Işınlama sonucunda Foton 3, Foton 1’in başlangıçtaki durumunun bir kopyası haline geliyor. Peki Foton 1’e ne oluyor? Hani Kuntum kuramına göre, kuantum durumları kopyalanamıyordu? Foton 1, Foton 2 ile bağıntılı duruma gelirken (bağıntılı olmanın doğası gereği) kendi “kimliğini” yitirir. Artık Foton 2’den bağımsız bir Foton 1 den söz etmek mümkün değildir. Artık ayrı bir Foton 1 yoktur demek yanlış olmaz. G’de Foton 1 yok olmuş, A’da Foton 3 olarak ortaya çıkmıştır. Ayrıca G, Foton 1 ile Foton 2 yi bağıntılı duruma getirdikten sonra bir ölçüm yapar. Deneyi anlatmadan önce söz ettiğimiz her birinin olma olasılığı ¼ olan dört seçenek bu ölçümün olası dört sonucudur. Bu ölçüm işlemi sonucunda Foton 1 ve Foton 2 bir dedektöre çarparak yok olurlar. Bu ölçüm olmadan A, Foton 3’ü hangi işlemden geçirerek Foton 1’in kopyasını elde edeceğini bilmediği için ışınlama tamamlanamaz. Yani ışınlamanın tamamlanması için parçacığın aslını kaybetmek zorunludur.

Işınlamanın gerçekleştiği “an” aradaki uzak mesafeye rağmen Foton 1 ile Foton 2 nin dolaşık duruma geldiği “an” olsa da dolaşık Foton 2 ve Foton 3 çifti G ve A’nın ortasında bir yerde önceden hazırlanmış ve Foton 2 G’ye, Foton 3 A’ya (ışık hızını geçmeden) gönderilmiş olmalıdır.