"Kuantum bilgiiflleme" geçti¤imiz
yüzy›l›n sonlar›nda temelleri at›lan ve
önümüzdeki y›llarda büyük
at›l›mlar›-n› bekledi¤imiz bir alan. Özelli¤i,
ato-malt› ölçeklere özgü kurallar› günlük
"makro" dünyaya tafl›maya aday
olma-s›. Bu alandaki kuramsal ilerlemeler,
pratik uygulamalara konu olmaya
bafl-lad› bile. Gizli haberleflmeyi, casus
ku-laklar› ele vermeden dinlenemez hale
getiren kuantum flifreleme, bunlardan
biri. Daha büyük bir hedefse,
süperbil-gisayarlar›n yüzy›llar›n› alacak
karma-fl›kl›ktaki hesaplamalar›, "ayn› anda
hem 0, hem de 1 olan mant›k
kap›la-r›" arac›l›¤›yla birkaç saniye içinde
çözme gücündeki kuantum
bilgisayar-lar. Bu hedefin gerçekleflmesi için yol
daha uzun, ama at›lan ad›mlar, çok da
fazla beklemeyece¤imizi gösteriyor.
Çok farkl› bir gelece¤e ve yepyeni bir
fizi¤e kap›y› aralayanlar aras›nda bir
Türk bilimadam› da var. Uluslararas›
alandaki üstün nitelikli çal›flmalar›
ne-deniyle 2001 y›l› TÜB‹TAK Bilim
Ödü-lü’nü kazanan Prof Dr. Ataç
‹mamog-lu’nun dikkat çeken bir kuramsal
kat-k›s›, ›fl›¤›n atomlarca so¤urulmas›n›
önleyen, ve ›fl›¤› yavafllat›p hatta
dur-durarak bilgi depolanmas› ve
iletilme-si için kullan›lmas›na "yeflil ›fl›k
ya-kan" "elektromanyetik olarak
indük-lenmifl fleffafl›k". Baflka bir önemli
kat-k›s› da kuantum noktalar üzerindeki
çal›flmalara uygulama alan› açan tek
foton sal›ml› kuantum kutular›
ger-çeklefltirmesi.
Prof. Dr. Ataç ‹mamo¤lu, 1964
y›-l›nda Minneapolis’te (ABD) dünyaya
geldi. 1985’te Orta Do¤u Teknik
Üni-versitesi Elektrik Mühendisli¤i
Bölü-mü’nden mezun olan ‹mamo¤lu,
1991’de Stanford Üniversitesi’nden
doktora derecesini ald›. ‹mamo¤lu,
1993’te California Üniversitesi Santa
Barbara Kampüsü’nde (UCSB)
ö¤re-tim üyeli¤i görevine bafllad›. 1997’de
ayn› üniversitede Doçent ve 1999’da
da elektrik mühendisli¤i ve fizik
bö-lümlerinde profesör oldu. Akademik
çal›flmalar›n› 2000 y›l›ndan bu yana
Sabanc› Üniversitesi’nde sürdüren
‹mamo¤lu, ayn› zamanda Santa
Bar-bara Teorik Fizik Enstitüsü’nde (ITP)
"kuantum bilgi teorisi" program›n›n
koordinatörlü¤ünü yürütüyor ve
Jo-urnal of Quantum Information &
Computation dergisinin de editörler
grubunda yer al›yor.
Kuantum opti¤inden, yar›-iletken
fi-zi¤ine kadar uzanan alanlarda önemli
etkiler yaratan bulufllar›n sahibi Prof.
‹mamo¤lu, 1992’de Tokyo NTT
Temel Araflt›rma
Laboratu-var›’nda (BRL),
1992-1993 y›llar› aras›nda
Harvard
Üni-versitesi’nde
ve
1997-1998 y›llar›
aras›nda da
Zürih
Tek-nik
Araflt›r-ma
Enstitü-sü’nde
çal›fl-malarda
bu-lunmufl.
‹mamo¤-lu’nun
ald›-¤›
ödüller
aras›nda, 1995 NSF Career ve 1996
Packard Foundation ödülleri
bulunu-yor. Ocak 2001 itibariyle Uluslararas›
Science Citation Index taraf›ndan
ta-ranan dergilerde yay›mlanm›fl 60
yay›-n› bulunan Ataç ‹mamo¤lu’nun
yay›n-lar›na yap›lan 1666 at›f bulunuyor.
48 Ocak 2002 B‹L‹MveTEKN‹K
ataç
imamo¤lu
kuantum bilgi iflleme alan›nda
uluslararas› ünde bilimadam›m›z
49
Ocak 2002 B‹L‹MveTEKN‹K
B
BTTDD-- Görebildi¤imiz kadar›yla sizin kuramsal fizi-¤e iki tane katk›n›z var. Yani alk›fllanan iki baflar›n›z var. Bir tanesi maddeyi "saydam" hale getirmek ve bir de bu kuantum noktac›klar. Okuyabildi¤imiz kada-r›yla gene de kuantum hesaplamada ifle yarayacak po-tansiyel bir araç, dinamik bir araç. Kuantum kriptog-rafinin de temelini oluflturuyor. Tek foton çip üreten düzenek. Bunlar› bizim okuyucumuza aktar›r m›s›n›z? Çal›flman›n önemi nedir? Bundan sonraki planlar›n›z?
‹‹mmaammoo¤¤lluu-- fiimdi öncelikle bu elektromanyetik olarak sa¤lanan saydaml›k, doktora çal›flmam s›ras›n-da buldu¤um, gösterdi¤im bir kavram. Tabii ki bu, bir tahtan›n ya da demir bir plakan›n arkas›nda ne oldu-¤unu görmek anlam›nda de¤il. Kabaca flöyle anlatma-ya bafllaanlatma-yabiliriz. Fotonlar›n atomlarla (maddeyle) et-kileflimi, foton frekans›n›n de¤eri atomlar›n do¤al fre-kanslar›na yaklaflt›kça etkileflmesi art›yor. Yani rezo-nans olay› dedi¤imiz bir olay var. E¤er fotonlar›n enerjisi atomlar›n geçifl (transition) enerjileriyle ayn›y-sa o zaman atomlar ve fotonlar aras›ndaki etkileflme çok kuvvetli hale geliyor. Bu normalde istenen bir fley; çünkü normalde fotonlar› manipüle etmek (kul-lanmak, yönlendirmek) istiyorsak; bu optik haberlefl-mede de olur, kuantum bilgiifllehaberlefl-mede de olabilir, fo-tonlar› manipüle edecek bir yola gereksinimimiz var. Fotonlar birbirleriyle etkileflmiyorlar. O yüzden bunu yaratman›n tek yolu, fotonlar› atomlarla etkilefl-tirmek ya da atomlar yoluyla iki foton at›m› (pulsu) aras›nda etkileflme yaratmak. Bunun için de rezonans koflulunu sa¤lamak laz›m. Fakat rezonansa yaklaflt›k-ça, baflka bir sorun ortaya ç›k›yor: So¤urma. Atomlar çok fliddetli bir flekilde ›fl›¤› so¤urmaya bafll›yorlar. Sonuçta, etkileflme bir nevi negatif etkileflmeye dönü-yor. Fotonlar› kaybediyoruz.
Elektromanyetik olarak sa¤lanan saydaml›¤›n te-mel uygulamas› ya da tete-mel ilgi çekme nedeni bir re-zonans halinde so¤urmay› engelleyebilmek. So¤urma-y› ortadan tamamen kald›rd›¤› için de, fotonlar›n fo-tonlarla olan etkileflmesini 106-107kat kadar art›rma
söz konusu. Bunun da ötesinde baflka etkileri daha var. Uygulama aç›s›ndan da önemli olabilecek. Bu da ›fl›¤›n yavafllamas›. Ifl›k pulslar› bu elektromanyetik olarak tetiklenen saydaml›k ortam›nda, atomlarla re-zonans halindeyken so¤urulmuyorlar fakat çok kuv-vetli da¤›l›ma u¤ruyorlar. Bu da¤›l›m›n etkisi ›fl›k pul-sunun, yani genelde pulsun ya da enerjinin yay›lma h›-z›n› düflürmesi. Bu düflürme böyle 2-3 kat de¤il, 107
kat-108kat. Deneysel olarak da gösterildi ki asl›nda
›fl›k h›z›, bir ›fl›k pulsunun h›z› demek daha do¤ru, bi-zim yürüyebilece¤imizden daha yavafl hale getirilebi-lir. Bunun uygulamalar› da yap›ld›. Deneyleri yap›ld›. Ama benim bu deneylerle ba¤lant›m yok. Ben daha ilk aflamalarda, daha çok foton-foton etkileflmelerinde çal›flt›m.
Daha da öteye gidip ›fl›¤› bir nevi durdurmak, ›fl›k-taki bilgiyi bir atomik maddede depolamak söz konu-su. Bunlar›n da olas› uygulamas› bir ›fl›¤a haf›za de-polamak fleklinde düflünebiliriz. Normalde ›fl›k uzayda çok h›zl› yay›ld›¤› için, ›fl›¤› depolamak ya da haf›zaya almak çok zor bir fley. Bunu yapman›n standart yolu, kilometrelerce uzunlu¤undaki bir fibere ›fl›¤› sokmak ve orada bofla dolaflmas›n› sa¤lamak. Ama bunun ye-rine alternatif bir metot ortaya ç›kar›yor, rezonant bir atomik ortama gönderiyoruz. Bu rezonant atomik or-tam kilometrelerce de¤il sadece birkaç santimetre
uzunlu¤unda ve ona karfl›n ›fl›¤› ayn› derecede uzun süreler yavafllatabiliyor.
Bunun da ayr›ca kuantum bilgiifllemede birtak›m uygulamalar› var. Özellikle ›fl›k kullanarak kuantum bilgiiflleme yapmak istiyorsak, gene bu kuantum haf›-zas› önemli bir eleman. Nas›l kulland›¤›m›z bilgisayar-larda haf›za önemli bir elemansa, burada da, en önemli olmasa da önemli bir elemand›r. Bunu da ay-n› biçimde düflünebiliriz.
Daha yak›nlarda yapt›¤›m bir di¤er çal›flma da ku-antum kutular›n›n optik özellikleri üzerine. Kuku-antum kutular› tamamen yar› iletken maddeler. Ve burada yar› iletken maddelerin güzel bir özelli¤i kullan›l›yor. Bir enerji bant aral›¤›. Bant aral›¤› daha küçük olan bir yar›iletkeni, bant aral›¤› daha yüksek olan bir ya-r›iletken içine s›k›flt›rabilirsek, o zaman burada yara-tabilece¤imiz elektronlar veya boflluklar, bu ¤›m›z alana gelmek isteyecekler. Çünkü bu s›k›flt›rd›-¤›m›z alan onlara sahip olabilecekleri en düflük ener-jiyi sa¤layacak.
B
BTTDD-- Manyetik alan› manipüle ederek mi bu bofl-luklar› yarat›yorsunuz?
‹‹mmaammoo¤¤lluu-- Manyetik alan da uygulam›yoruz asl›n-da. Bunlar›n hepsi olas›l›klar tabii..atomlara k›yasla bir sürü manipülasyon olana¤› sa¤l›yor kuantum ku-tular›. T›pk› bir atom gibi davran›yorlar, ancak bir özellikleri, atoma göre çok büyük olmalar›. Atomlar›n tipik olarak büyüklükleri bir angstrom, yani 10–15
metre civar›ndayken, kuantum kutularda 100 angst-rom, hatta daha da büyük oluyor. Yani en az›ndan 100 kat daha büyük. Bunun da bir tak›m avantajlar› da var. Ama bu konuda, yani benim ilgilendi¤im ko-nudaki en büyük avantaj›, bir kuantum kutusunu yap-t›¤›m›zda onu ayn› zamanda lokalize etmifl oluyoruz. Bir atomuysa lokalize etmek çok zor. Bu nedenle, e¤er amac›m›z tek foton kayna¤› oluflturmaksa, kuan-tum kutular› büyük bir avantaj. Çünkü bir tek foton kayna¤› oluflturmak için lokalize etti¤imiz bir atom veya atoma benzer bir ›fl›k kayna¤›na ihtiyac›m›z var. Ve bir tane olmas› önemli. Yani 106atomu bir yerde
depolayabiliyoruz ama bunun asl›nda bir faydas› yok tek foton kayna¤› aç›s›ndan.
B
BTTDD-- Tek foton kriptografide ifle yar›yor, kuan-tum hesaplamada da gerekli mi?
‹‹mmaammoo¤¤lluu-- Kuantum bilgiiflleme yapabilmek için de¤iflik yöntemler var. Bunlardan biri de tek foton kaynaklar›. Bu yeni bir önerme. öne sürülen bir öne Bunun avantaj› tek foton kayna¤› d›fl›nda gerektirdi¤i elemanlar sadece bizim lineer optik elemanlar dedi¤i-miz aynalar, lensler, kutuplanma döndürücüleri her laboratuvarda bulunan aletler. Halbuki normalde ku-antum bilgiiflleme için gerekli di¤er sistemlerde bu
qubit (quantum bit) etkileflmesini sa¤layabilmek için özel koflullar, etkileflme koflullar› gerekiyor. Bunu bir nevi bedavaya sa¤l›yor tek foton kaynaklar›na daya-nan bilgi iflleme. Ama bunun da kendine göre zorluk-lar› var.
B
BTTDD-- Tek foton kaynaklar›yla "coherence" daha m› uzun süreli oluyor?
‹‹mmaammoo¤¤lluu-- Potansiyel olarak bu do¤ru. Fakat, bu-nun da getirdi¤i baflka sorunlar var. Örne¤in, e¤er atomlara ya da lokalize olmufl iyonlara dayal› bir ku-antum bilgisayar› düflünüyorsan›z, o zaman kuku-antum haf›zas› hiç sorun de¤il. ‹yonlar da orada duruyorlar ve de buradaki bilgiyi depolamak, haf›zaya almak bir sorun de¤il. Oysaki ›fl›k kaynaklar›yla, tek foton kay-naklar›yla bilgi ifllemeye kalkt›¤›n›zda haf›za önemli bir sorun oluyor. Çünkü fotonlar› lokalize etmek zor. Ama bu aflamada da ›fl›k için kuantum haf›zas› kavra-m›n› ortaya atabiliriz. Ortada teknolojik ve de bilim-sel bir sürü aç›k soru var ve zorluklar var. Ama konu çok ilginç. En az›ndan bu konuda çal›flt›¤›m›z sürece yeni fizik ö¤renece¤iz ve belki de ifle yarar bir aleti de yapm›fl olaca¤›z.
G ü l g û n A k b a b a
Küçük Parçalarla Büyük ‹fller
.
Türkiye Teknoloji Gelifltirme Vakf› Genel Sekreteri, TÜB‹TAK ve YÖK Bilim Kurulu Üyesi Ak›n Çakmakç›’y› 27 Kas›m 2001’de kaybettik. Bilim ve teknoloji alan›nda geliflmelere katk›da bulunmak için yaflam›n›n sonuna kadar çabalayan ve yaflam›yla hepimize örnek olan bilim emekçisine sevgi ve özlemle güle güle diyoruz.
Bilim ve Teknik Dergisi
Ak›n Çakmakç›’y›
Kaybettik
.
Tek fotonlar, güvenli haberleflmede giderek artan bir uygulama bulan kuantum kriptografinin temelini oluflturuyor. Mesaj gönderen, haberi alacak kimseye flifre anahtar›n›, tek fotonlardan oluflan bir dizge halinde gönderiyor. Gizli flifreyi ele geçirmek iseteyen biri, tek fotonu “gözledi¤i” zaman, onun kuantum
durumunun (ör: Polarizasyon) de¤iflmesine yol aç›yor ve dolay›s›yla da flifrenin zaptedilmeye çal›fl›ld›¤› anlafl›l›yor. Prof. Dr. Ataç ‹mamo¤lu’nun baflkanl›¤›ndaki bir ekipçe
gelifltirilen ve bir mikroçipe yerlefltirilen 2 nanometre ölçe¤inde kuantum nokta döner tablas›, fotonlar› teker teker sal›yor.
Foton
Kuantum nokta
Alüminyum arsenid sütun
Galyum arsenid taban In= ‹ndiyum
Ga= Galyum As= Arsenid
