Kuantum dolanıklığı, atom altı parçacıklar arasında yani kuantum aleminde görülen ilginç olaylardan biridir. İki veya daha fazla parçacık belirli bir şekilde bağlandığında, uzayda birbirlerinden ne kadar uzakta olurlarsa olsunlar durumları bağlı kalır. Bu parçacıkların aynı kuantum durumunu paylaştıkları anlamına gelir. Yani parçacıklardan birinin gözlemlenmesi, aralarındaki mesafeye bakılmaksızın diğer dolaşık parçacıklar hakkında bilgi edinmeyi sağlar. Bu parçacıklardan birine yapılacak herhangi bir eylem, dolanık sistemdeki diğerlerini her zaman etkileyecektir.

Kuantum dolanıklığı konusu pek çok fizikçi tarafından araştırma konusu olmuştur. 2022 yılında Alain Aspect, John F. Clauser ve Anton Zeilinger; dolanık parçacıklarla yaptıkları çalışmalarla Nobel Fizik Ödülünü’nün sahibi olmuştur. Kuantum dolanıklığı, kuantum mekaniği içinde önemli bir kavramdır ve parçacıklar arasında kurulan özel bir ilişkiyi incelemeyi sağlar. Bu ilişki öyle ilginçtir ki  iki elektron parçası birbirinden ışık yılı uzaklıkta olsa bile birbirini etkileyebilir.

Kuantum dolanıklığını anlamak için öncelikle Kuantum Teorisinin ne olduğuna bir bakalım.

Kuantum Teorisi Nedir?

Kuantum etimolojik olarak, "ne kadar büyük" anlamına gelen Latince "kuantus" kelimesinden türetilmiştir. Mikro seviyede, atom altı parçacıkların hareketleri Kuantum mekaniği ile açıklanır.

Kuantum teorisine göre bir foton tek bir kuantum ışığıdır yani herhangi bir elektromanyetik radyasyon formudur. Atomlar ve madde genel olarak belli bir denge durumundadır, yani üzerlerindeki net kuvvet sıfırdır. Ancak elektronlar sadece bir atom içindeki ayrık enerji seviyelerinde bulunabilir. Fakat elektronlar sürekli yer değiştirirler. Elektronlar kimi zaman parçacık, kimi zaman ise dalga gibi hareket ederler, pozisyonları asla tahmin edilemez.

Kuantum dünyasında hiçbir şey kesin olarak bilinemez; örneğin, bir atomdaki bir elektronun tam olarak nerede bulunduğunu asla bilemezsiniz; yalnızca nerede olabileceğini bilemezsiniz. Kuantum durumu, bir parçacığın konumu veya açısal momentumu gibi belirli bir özelliğini ölçme olasılığını özetler. Yani, örneğin bir elektronun kuantum durumu, onu bulabileceğiniz tüm yerleri ve bu yerlerde elektronu bulma olasılıklarını tanımlar.

Kuantum Dolanıklığı Nedir?

Kuantum dolanıklığı kavramı  1935'te Erwin Schrödinger tarafından ortaya atılmıştır. Kuantum dolanıklığı, bir çift parçacık veya grup parçacığının; çifti veya grubun diğer parçacığı ile zaman ve mesafenin önemi olmaksızın, fiziksel bir etkileşim içinde olması durumunu ifade etmektedir.

Bir başka ifadeyle kuantum dolanıklığı, bir parçacığın, diğer bir parçacık veya parçacıklarla, aralarında büyük mesafeler hatta ışık yılları bile olabilen parçacıkları inceler. Bu parçacıklar, kuantum durumunun bir sonucu olarak ortaya çıkan bir fiziksel etkileşimde kalmaya devam edebilir.

Kuantum dolanıklığı konusu, klasik ve kuantum fiziği arasındaki eşitsizliğin merkezinde yer alır: dolanıklık, klasik mekanikte bulunmayan kuantum mekaniğinin temel bir özelliğidir. Kuantum dolanıklık ilkesi bir sistemin, tüm bileşenlerinin bir bütün olarak dikkate alınmadan tanımlanamayacağını açıklar. Dolayısıyla her sistem, bileşenlerinin bir toplamıdır.

Ne var ki, sistemin bileşenleri çevre ile etkileşime geçtiğinde farklı özellikler gösterebilirler. Sistemdeki bir bileşende değişiklik yapıldığında diğer bileşenlerde de değişiklikler görülür.

Kuantum dolanıklığının fizikçiler tarafından son derece şaşırtıcı bulunmasının sebebi dolanık parçacıkların durumunun açıklanamaz ve öngörülemez olmasıdır. Einstein bunu “uzaktan ürkütücü eylem” veya “hayaletli eylem” olarak ifade eder.

Kendimiz Kuantum Dolanıklığı Oluşturabilir Miyiz?

Parçacıkları dolaştırmanın birçok yolu vardır. Bu alanda çalışma yapan fizikçilerin kullandığı yöntemlerden biri, parçacıkları soğutmak ve kuantum durumları (konumdaki belirsizliği temsil eden) örtüşecek ve bir parçacığı diğerinden ayırt etmeyi imkansız hale getirecek şekilde birbirine yeterince yakın yerleştirmektir.

Diğer bir yol ise nükleer bozunma gibi otomatik olarak dolaşık parçacıklar üreten bazı atom altı süreçlere güvenmektir. NASA'ya göre, tek bir fotonu bölüp bir çift foton üreterek veya foton çiftlerini bir fiber optik kabloda karıştırarak dolaşmış foton çiftleri veya ışık parçacıkları oluşturmak da mümkündür.

Kuantum Dolanıklık Ne İşe Yarar?

Kuantum dolanıklık günümüzde uzun mesafelerde fiber optik iletişim sağlar. Bu yöntem sayesinde veriler, 3. bir kişinin eline geçmeden güvenli bir şekilde yerine ulaşır. Kuantum dolanıklık günümüzde gizli bilgilerin sadece iletilmesi istenen yerlere iletilmesinde kullanılmaktadır. Bu yapılırken gönderici ve alıcı arasında sadece kendilerinin bildiği özel anahtar kodlar oluşturulur.

Bu süreç geleneksel iletişimin kuantum versiyonu olarak düşünülebilir. İlk olarak gönderici iletmek istediği mesaj için bir anahtar oluşturulur. Bu anahtardaki bilgiler XOR işlemi adı verilen bir işlemle şifrelenir. Parçacıklar arasındaki dolanıklık sayesinde mesaj, diğer parçacığa iletilir. Alıcı, aynı anahtarı kullanarak bu işlemi tersine çevirerek orijinal mesajı elde eder. Bu yöntemin temel avantajı kesinlikle güvenliktir, çünkü her anahtar yalnızca bir kez kullanılır ve tekrar kullanılamaz. Eğer üçüncü bir kişi bu işleme dahil olmaya çalışırsa dolanıklık bozulur ve mesaj iletilemez. Bu işlem uzun süren bir işlemdir ancak büyük oranda güvenlik sağlar. Günümüzde bu işlemler Nasa da kullanılmaktadır.