IBM’den Bilim Dünyasında Çığır Açan Keşif

Teknoloji ve bilim dünyası, kimya ve fizik kurallarını yine yazabilecek tarihi bir gelişmeye sahne oldu. IBM liderliğinde; Manchester Üniversitesi, Oxford Üniversitesi, ETH Zürih, EPFL (Lozan Federal Teknoloji Enstitüsü) ve Regensburg Üniversitesi’nden araştırmacıların oluşturduğu memleketler arası bir bilim heyeti, tabiatta bir gibisi daha bulunmayan yepisyeni bir molekül yarattı. Prestijli bilim dergisi Science‘ta yayımlanan bu çığır açıcı çalışma, elektronları tirbuşon gibisi bir sarmal sistemde hareket eden ve “yarım-Möbius” (half-Möbius) elektronik topolojisine sahip birinci molekülün deneysel olarak sentezlenmesi ve gözlemlenmesi manasına geliyor.

Kimyanın Sonlarını Zorlayan Tasarım: C₁₃Cl₂ Molekülü

Bilim insanlarının bugüne kadar sentezlemediği, gözlemlemediği ve hatta teorik olarak varlığını tam manasıyla öngöremediği bu egzotik molekül, temel kimyasal davranışları kökünden değiştiriyor. C₁₃Cl₂ formülüne sahip olan bu yapı, Oxford Üniversitesi’nde özel olarak sentezlenen bir öncü husustan yola çıkılarak laboratuvar ortamında atom atom inşa edildi.

Bu fevkalâde inşa süreci, mutlak sıfıra yakın (yaklaşık -273°C) dondurucu sıcaklıklarda ve ultra yüksek vakum altında, son derece hassas bir biçimde kalibre edilmiş voltaj darbeleriyle tek tek atomların yerinden oynatılmasıyla gerçekleştirildi. Klasik kimyada elektronlar görece iddia edilebilir yörüngelerde hareket ederken, bu yeni moleküldeki elektronlar yapı boyunca 90 derecelik bir bükülme yaşıyor ve başlangıç fazına dönebilmek için tam dört çeşide gereksinim duyuyor.

İşin en büyüleyici kısmı ise bu topolojik yapının saat istikametinde kıvrımlı, saat istikametinin bilakis kıvrımlı yahut büsbütün düz durumlar ortasında tersinir (geri döndürülebilir) halde değiştirilebilmesi. Bu durum, elektronik topolojinin tabiatta talih yapıtı “bulunacak” bir özellik olmaktan çıkıp, artık laboratuvar ortamında “tasarlanabilir” ve “kontrol edilebilir” bir mühendislik parametresine dönüştüğünü kanıtlıyor.

Klasik Bilgisayarların Çaresiz Kaldığı An ve Kuantum Devrimi

Bilim insanları bu eşsiz molekülü yarattıktan sonra, onun nasıl ve neden bu formda davrandığını anlamak üzere devasa bir sorunla karşı karşıya kaldılar. C₁₃Cl₂ içindeki elektronlar birbirleriyle öylesine derin ve karmaşık bir kuantum dolanıklığı (entanglement) içinde etkileşime giriyorlardı ki, her bir elektron oburlarının durumunu eşzamanlı olarak etkiliyordu. Bu davranış modelini klasik bilgisayarlarla simüle etmeye çalışmak, hesaplama yükünün eksponansiyel olarak artmasına ve dünyanın en güçlü klasik makinelerinin dahi bu yükün altında ezilmesine neden oluyordu.

İşte tam bu noktada, klâsik hesaplama mimarilerinden büsbütün farklı bir lisanla konuşan kuantum bilgisayarlar devreye girdi. Kuantum bilgisayarların temel yapı taşları olan kübitler, tabiatları gereği moleküllerdeki elektronları yöneten tıpkı kuantum mekaniği kanunlarıyla çalışır. Bu sayede, moleküler seviyedeki davranışları varsayımlar yahut yaklaşımlarla değil, direkt temsil ederek kusursuz bir halde simüle edebilirler.

Kuantum merkezli muhteşem bilgisayar iş akışlarını kullanan araştırmacılar, kuantum işlemcilerin (QPU) gücünü klasik CPU ve GPU’larla birleştirerek sorunu modüllere ayırdı. Yapılan hesaplamalar sonucunda, bu sıradışı topolojinin gerisindeki temel düzeneğin sarmal bir “sözde Jahn-Teller etkisi” (pseudo-Jahn-Teller effect) olduğu gün yüzüne çıkarıldı.

Maddenin Denetiminde Yesyeni Bir Boyut

Araştırmanın ortak müelliflerinden, Manchester Üniversitesi Hesaplamalı ve Teorik Kimya Öğretim Üyesi Dr. Igor Rončević, bu keşfin yalnızca bir başlangıç olduğunu vurguladı. Rončević, “Kimya ve katı hal fiziği, maddeyi denetim etmenin yeni yollarını bularak ilerler. 20. yüzyılın sonlarında elektron spini, data depolamayı dönüştüren yeni bir özgürlük derecesi (spintronik) olarak hayatımıza girmişti. Bugün yaptığımız çalışma ise topolojinin de değiştirilebilir bir özgürlük derecesi olarak kullanılabileceğini ve gereç özelliklerini denetim etmek için yeni, güçlü bir rota çizdiğini gösteriyor,” sözlerini kullandı.

Ayrıca klasik bilgisayarlarla elektronları simüle etmenin zorluğuna dikkat çeken Rončević, on yıl evvel lakin 16 elektronun tam olarak modellenebildiğini, bugün klasik sistemlerin 18 elektrona kadar çıkabildiğini belirtti. Lakin bu çalışmada, kuantum donanımı sayesinde tam 32 elektronun davranışları muvaffakiyetle keşfedildi.

Oxford Üniversitesi’nden Prof. Dr. Harry Anderson ise bu yapıların yalnızca mikroskop prob ucundan uygulanan voltaj darbeleriyle birbirine dönüştürülebilmesinin ne kadar büyüleyici olduğunu vurgularken; Regensburg Üniversitesi’nden Prof. Dr. Jascha Repp, kuantum donanımlarının yalnızca gösterişli demolar için değil, gerçek bilimsel atılımlar için kullanıldığı bir projenin kesimi olmaktan büyük heyecan duyduğunu lisana getirdi.

Bu tarihi atılım, ünlü fizikçi Richard Feynman’ın yıllar evvel ortaya koyduğu “kuantum fiziğini simüle edebilen bilgisayarlar” vizyonunun gerçeğe dönüştüğünün en somut delillerinden biri. Elde edilen muvaffakiyet, geleceğin ilaçlarını, yüksek teknolojili gereçlerini ve kimyasal bileşiklerini tasarlamak için insanlığa yesyeni bir pencere aralıyor.