Uzun zaman sonra bu yazıyı kaleme almanın heycanı içinde olduğumu yazının başında belirtmek istiyorum.
Zeeman etkisi, bir elektromanyetik alan ile beraber oluşan harika elektromanyetik kuvvet etkilerinden sadece bir tanesidir. Bu etkiyi en basitiyle tek cümlede açıklamam gerekirse; ışığın elektromanyetik dalga ile beraber değişimi derdim. Başlangıç olarak bir atomun elektron konfigürasyonunun bulunma yöntemlerinden sizlere söz edeceğim, ve bu konfigürasyonun neden önemi olduğunu anlatacağım. Öncelikli not olarak da şunu belirtmek isterim ki: Elektronların orbitaleri Schrödinger denklemleri ile bulunmaktadır.
- Pauli Dışarlama İlkesi: Pauli iki adet elektrondan fazlasının benzer dört grup kuantum numaralandırılması içinde bulunamayacağını deneyimlemiştir. Örnek olarak, helyum 2 elektrona sahip bir elementtir. Bu elektronların “n” değeri 1 olmalıdır. Çünkü tek orbitale maksimum sığabilecek elektron sayısı iki adettir. “l”, “m” değerleri ise 0 değerinde olmalıdır. Fakat elektronlar orbitaller içerisinde aynı açısal momentum içinde bulunamayacağından, elektronlar ±1/2 şeklinde dağılım göstermek zorundadırlar, yani “s” değeri ±1/2’dir.
- Hund Prensibi: Elektronlar orbitallere yerleştirilirken teker teker ve açısal momentumları farklı olacak şekilde yerleştirilir. Bu yerleşme işlemi maksimum çokluk ilkesine göre en düşük seviyeden başlayarak yerleştirilir. Orbitaller tekil durumda dolduktan sonra, zıt açısal momentuma sahip elektronlar tarafından düşük enerji seviyesinden başlayacak şekilde orbitalleri doldurmaya başlayacaktır.
- Aufbau Prensibi: Aufbau Almanca bir kelime olup, anlamı ise inşa etmektir. Bu prensip bizlere orbitallerin dizilimi ve elektronların bu orbitallere yerleşme durumunun nasıl olduğunu açıklar. Bu prensibe göre elektronlar en düşük düzeyden yerleşmeye başlayacaktır. Başka bir biçimde ifade etmek gerekirse, en kararı olacak şekilde düşük enerji seviyesinde bulunma eğilimi gösterecektir.
Bu prensiler ve elektronların yerleşme durumlarını inceledikten sonra, elektromanyetik kuvvetin etkisini incelemeye geçeceğiz. Bu konuda Hidrojen atomundan ilerleyeceğim. Çünkü, hidrojen atomu için elektrik alan düzeyleri, hepsi de alanın karesiyle orantılı benzer katsayılara sahip olacak şekilde hareket etmedikleri sürece değişmez; ama bu da ilginç değildir çünkü enerji farkını değiştirmeyecektir. Şimdi önemli olan manyetik alandır. Manyetik alanın foton üzerinde ki etkisi nedir? Bu olay nasıl gerçekleşir? Bakalım. Burada biraz karmaşık bir şey olan Hamilton işlemcisinden bahsedeceğim. Hamilton işlemcisi üç kısma sahiptir; ilk terim elektron ve proton arasındaki manyetik etkileşimi, ikinci ve üçüncü kısım ise dış manyetik alanın etkisini gösterir. Eğer dış manyetik alanın etkisi varsa, ikinci kısım manyetik alandaki elektronun enerjisidir. Benzer şekilde diğer kısım da protonun enerjisidir. Klasik olarak ikisinin toplam enerjisi, elektronun ve protonun toplam enerjisi kadardır. Peki bu terimlerin yanına z yönünde bir B manyetik alanı eklersek ne olur? Bu durumda eşitliklerde birbirine tamamen uyumlu eşitlikler meydana gelir. Bu eşitlikler |++>, |+->,|- +>, |- -> şeklinde birbirlerinden ayrılmaya başlarlar. Bu ayrışmalar tamamen birbirlerine uyumlu biçimde gerçekleşir. Eğer diyagonal elemanlar eklenip Hamilton denklemleri tekrardan yazılırsa 3 farklı denklem de türetebiliriz. Sonra bu denklemleri de çözerek, sabit bir manyetik alandaki hidrojen atomunun dört durağan durum enerjisini bulabiliriz. Bu seviyeler manyetik alanı devreye soktuğumuzda farklı bir şekilde değişim gösterecektir. Bu geçişlerin bir fotoğrafını Feynman Fizik Dersleri Ders Kitabından alıp aşağıya bırakacağım.
Peki bu durumun kuantum bilgisayarları ve işlemcilerimiz ile alaka düzeyi nedir? Öncelikle oluşturulan bu geçişlerle beraber tek bir foton kaynağından 3 veya 4 farklı durum elde edebiliyoruz. Yukarıda belirttiğim gibi, bu seviyeler manyetik alan ile beraber farklı davranışlar sergilerler. Böylece tek bir fotondan 3 veya 4 farklı seviye elde edebiliriz. Manyetik alan uygulamadığımız bir fotondan aldığımız ±1/2 değerleri ile oluşturduğumuz Kubit kuramını, manyetik alan uygulayarak |-1>, |0>, |+1> olarak elde ettiğimiz bu durumlarla Kutrit‘e, ve |+3/2>, |+1/2>, |-1/2>, ve |-3/2> olarak elde ettiğimiz bu durumlarla Kukart‘a yükseltebiliriz. Yükseltme kavramını kullanmamın en önemli sebebi ise, kutrit ve kukart ile yapabileceğiniz işlem sayısının muazzam derecede artmasından kaynaklanıyor. Bunu sizlere şu örnekle açıklamak isterim: Eşit hayat ömrüne sahip kubit, kutrit ve kukartın kuantum kapılarında yapacakları işlem sayıları 2ⁿ, 3ⁿ ve 4ⁿ olarak peşin sıra artmaktadır. Bu işlem kapasitesi bakımından inanılmaz bir gelişmedir. Fakat, bu devrelerin oluşturulması, fotonların etkilenmemesi, yaşam ömürleri, ortamın sıcaklığı, hata değerleri, paralellik ve bağlantı durumları hepsi birbirinden zor işlemler olarak karşımıza çıkmaktadır. Gelecek heyecan verici, ve bizler onu inşa ediyoruz. Aşağıda bulunan bölüme bir fotonik kuantum bilgisayarının çalışması ile ilgili bir video bırakacağım. Lütden bu videoyu izlerken tek bir fotonun 3 veya 4 farklı işlemi eş zamanda yaptığını düşünün. Bu durum durumun güzelliğini ortaya koyacaktır.