KUANTUM TEKNOLOJİLERİ İLE HEDEF TESPİTİ

KUANTUM TEKNOLOJİLERİ İLE HEDEF TESPİTİ

İlk kuantum devrimi, yirminci yüzyılın başlarında bilim insanlarının atomun yapısı ile elektromanyetik alanların kuantum doğasını tanımlayan matematiksel denklemleri ortaya koymasıyla başladı. İlk kuantum devrimi sırasındaki araştırmalar sonucunda transistor, lazer vb. teknolojilerin geliştirilmesiyle bilgi ve teknoloji çağının yolu açılmış oldu. Diğer yandan ikinci kuantum devrimi yirmi birinci yüzyılın başında, birinci kuantum devrimiyle kuantum doğası anlaşılan parçacıkların ve alanların bu özelliklerinin manipülasyonu ve birbirleriyle klasik olmayan etkileşimleri üzerine pratik uygulamaların geliştirilmesiyle başladı. İkinci kuantum devrimiyle kuantum teknolojileri alanında (kuantum hesaplama ve iletişim, metroloji, sensörler ve görüntüleme vb.) birçok teknolojik ilerleme sağlanmıştır.

İkinci kuantum devriminin en popüler ve ilginç çıktılarından biri de kuantum dolanıklık ya da Einstein’ın tanımlamasıyla “spooky action at a distance” olarak düşünülebilir. Bu fenomen, kuantum dolanıklık durumundaki parçacıklardan herhangi birisine bir ölçüm yapıldığında elde edilen ölçüm sonucu diğer parçacıklarda da aynı sonucu vermesi olarak tanımlanabilir. Yirminci yüzyılın başındaki klasik fizik teorileri ve görelilik teorisi, parçacıklar arasındaki mesafe arttıkça parçacıkların etkileşiminin azalacağını ve birbirlerini etkileyemeyeceğini öne sürmekteydi. Bu çelişkili durum, bilim insanlarını N. Bohr, W. Heisenberg, W. Pauli gibi kuantum fiziğini savunan fizikçiler ile A. Einstein, B. Podolsky, N. Rosen (EPR) ve bu durumun kuantum fiziğiyle açıklanamayacağını ve bu parçacıkların bilinmeyen fakat yine de var olan gizli bir fiziksel parametreyle etkileştiğini savunanlar olmak üzere ikiye ayırmıştı. 1964 tarihli J.S. Bell’in ünlü “On the Einstein Podolsky Rosen Paradox” isimli makalesine kadar farklı görüşler varlığını sürdürmeye devam etmiştir. Bell’in makalesinde, dolanıklık durumundaki parçacıklara uygulanan deneylerin aynı sonuçları vermesi durumu gizli bir değişken aracılığıyla sağlanmış olsaydı, bu deneysel sonuçların üzerinde bir kısıtlama getireceği ve muhtemel sonuçların bir eşitsizlikle tanımlanan aralıkta olmasına izin vereceğini teorik olarak göstermiştir. Bell’in bu ünlü eşitsizliği, gizli değişkenler teorisinin lokal bir teori olacağı ve kuantum mekaniğiyle çelişeceğini matematiksel olarak göstermişti. 1969 yılında J. Clauser, M. Horne, A. Shimony ve R. Holt (CHSH) tarafından yayınlanan diğer bir ünlü makale ile Bell eşitsizliği deneysel olarak laboratuvarda test edilebilir hale gelmiştir. Bu deney ile dolanık fotonların dolanıklık kalitesi ya da başka bir deyişle dolanıklık durumu Bell-CHSH eşitsizliği ile tespit edilebilir ve ispatlanabilir olmuştur. Bell-CHSH eşitliği ile dolanık bir foton çifti için, Bell eşitsizlik değerini 2’nin üstü bir değerde bulunması parçacıkların dolanık doğalarını doğrulamasına yetmektedir.

Günümüzde kuantum parçacıkların kullanıldığı alanların başında metroloji, hesaplama, haberleşme ve algılama alanları sayılabilir. Tek ve dolanık foton kaynaklarının kullanımı fikriyle birlikte dolanıklık ve rastgelelik (parçacık yaratım zamanındaki belirsizlik) gibi kuantum dünyasına özel kavramların teknolojik alanlarda kullanımı mümkün olmaktadır. Özel olarak, dolanık foton kaynaklarının sensör ve algılama teknolojilerinde aktif olarak kullanılmasını öneren hedef tespit protokolleriyle kuantum lidar ve kuantum radar konseptleri ortaya çıkmıştır. Dolanık fotonların soğuk atomlar vasıtasıyla üretilmelerini takiben, kristal temelli kuantum dolanık foton kaynakları 1995 yılında Kwiat ve arkadaşları tarafından Baryum Borat (BBO) kristalinden kendiliğinden parametrik-alçaltma dönüşümü (spontaneous parametric down-conversion, SPDC) ile dolanık foton çiftleri elde edilmesiyle katı sistemlere ve pratik kaynaklarla ilerlemiştir. Şekil 1’de BBO kristali ile SPDC süreci ile polarizasyonu dolanık foton çifti üretimi gösterilmiştir. İkinci (χ(2)) dereceden bir süreç olan SPDC ile bir besleme/pompa lazeri ile BBO kristali uyarılmakta ve SPDC süreci sonrasında dikey (V) ve yatay (H) polarizasyonda iki foton yayılım konisi oluşturulmaktadır. Bu konilerin üst-üste geldiği a ve b noktalarında fotonlar toplandığında ise H ve V polarizasyon durumlarını içeren karışık polarizasyonda dolanık foton çiftleri oluşturulabilmektedir (|Ψ􀆓=1/√2(|H􀆓a|V􀆓b+|V􀆓a|H􀆓b).

İlerleyen zamanlarda çalışmalar polarizasyon yerine dolanıklık süresi ya da dolanıklık dayanıklılığı daha fazla olan enerji-zaman dolanıklığı içeren sistemlerin keşfiyle devam etmiştir. Daha verimli dolanık foton kaynaklarının oluşturulması çalışmaları kapsamında çeşitli dalga-kılavuzu (waveguide) ya da fotonik yapıların (halka rezonatörler vb.) yardımıyla titanyum difüz edilmiş periyodik olarak kutuplanmış lityum niyobat (titanium in-diffused on periodically poled lithium niobate, PPLN) yapısıyla ikinci ((χ(2)) dereceden süreçlerle yüksek verimde ve kalitede donalık foton kaynakları üretilmiştir. Günümüzde dolanık foton kaynakları PPLN ve benzeri lineer olmayan kristaller kullanılarak farklı dalga boylarında (810-1550 nm) üretilmekte ve ticari olarak piyasaya sunulmaktadır.

KUANTUM LİDAR

Dolanık foton kaynaklarının kullanıldığı kuantum lidar sistemleri, hedef aydınlatmasında kullandıkları ışık kaynakları, gelen sinyallerin tespiti ve analizi konularında klasik lidar sistemlerinden ayrılmaktadır. Klasik lidar sistemleri eş-fazlı (coherent, quasi-classical) optik bölgede (VIS, NIR, SWIR) ışık kaynağı (lazer) kullanırken, kuantum lidar sistemleri ise kuantum ışık kaynağı (tek-foton, dolanık foton) ile hedefi aydınlatmaktadır. Klasik lidar sisteminde eş-fazlı (birbirine çok yakın dalga boyunda, polarizasyonda ve yaratım zamanında) birçok foton hedefe gönderilmektedir. Hedeften dönen fotonların foto-dedektör ve kameraya geliş zamanı üzerine ya da daha da ileri korelasyonlar olan fotonların oluşum zamanları incelenerek öncelikle zamansal ve dolaylı olarak da uzaysal haritalama, hedef uzaklığı ve tespiti ile hedefin hızı gibi özellikler saptanabilmektedir. Hedefe gönderilen fotonlar için ayrıca dalga-boyu filtrelemesi yapılarak, arka-plan radyasyonu vb. etkilere karşı sinyal-gürültü oranı (SNR) artırılabilmektedir. Bununla birlikte, klasik lidar sistemleri kullanılan fotonların dalga boyundaki gürültü, termal arka-plan ve karşı-önleyici fotonlara karşı savunmasızdırlar ve hedefe gönderilen foton akısı artırılarak SNR değerini artırmak mümkün değildir. Klasik lidarlar ile ilgili bir diğer sorun da kullanılan foton sayısının fazlalığı nedeniyle tespit edilmelerinin oldukça kolay olmasıdır.

Kuantum lidar konseptinde, kuantum ışık kaynağından çıkan dolanık foton çiftlerinden birisi, yani sinyal fotonu, hedef tespiti amacıyla kullanılırken, diğeri (idler) yani kaynak fotonu ise sistemde dijital (klasik) olarak veya kuantum durumunun kaybolmayacağı bir şekilde (hafızada) tutularak, hedeften dönen fotonla ilişkisi incelenmektedir. Hedeften saçılan veya yansıyan dolanık foton, kaynağa tekrar döndüğünde sistemde bulunan ya da kaydedilmiş fotonların zaman, enerji ve/veya polarizasyon vb. korelasyonları incelenmekte ve hedefin varlığı hakkında bilgi sahibi olunmaktadır. Üretilen dolanık foton çiftlerinin enerji-zaman ve polarizasyon durumları belirli olduğundan, hedeften yansıyan ve saçılan fotonların tespit edilmesinde klasik lidardakine benzer şekilde uygun filtreleme protokolleri de seçilebilmektedir.

Lloyd tarafından 2008 yılında önerilen kuantum aydınlatma protokolüyle hedeften dönen ve kaynakta bekletilen dolanık fotonların eş-zamanlı optik olarak korelasyonlarına bakılarak fotonların dolanıklık seviyesi belirlenebileceği ve klasik lidara oranla 6 dB daha yüksek SNR değerine erişilebileceği gösterilmiştir. Bununla birlikte ortamla ya da hedefle etkileşme sonucunda dolanık foton çiftlerinin dolanıklık durumu büyük oranda yok olabilmektedir. Kuantum ışık kaynağının dolanıklık özelliği kaybolsa da foton çiftleri hâlâ büyük oranda korelasyonlara sahip olmaktadır. Diğer yandan, optik komponentler, dedektör verimi vb. nedenler dolayısıyla oluşabilecek kayıplar yüzünden SNR avantajı değerinin 3 dB olacağı hesaplanmaktadır.

Kuantum lidar konseptinde diğer bir önemli konu da sistemin optik tasarımına bağlık olarak hedef tespit algoritması ya da protokolünün seçilmesidir. Kaynakla hedef arasındaki mesafenin önceden bilinmemesi (faz farkları), kaynakta bekletilecek fotonun optik sistemdeki kayıplar sonucu yitirilmesi ya da hedeften gelen foton ile kaynaktaki fotonun uzaysal olarak aynı noktaya getirilmesindeki zorluklar kuantum aydınlatma protokolün uygulanmasını pratik açıdan oldukça zorlaştırmaktadır. Literatürde şimdiye kadar kuantum aydınlatma protokolünün kullanıldığı sadece bir deneysel çalışma rapor edilmiştir. Kuantum aydınlatma protokolündeki dolanık foton çiftlerinin dolanıklık testleri üzerindeki bu zorluklar yüzünden alternatif olarak dolanık foton çiftlerinin sadece zaman, enerji ve polarizasyon korelasyonlarının incelendiği faz-duyarsız protokoller ile hedef tespiti de yapılması mümkündür. Bu tür protokollerin klasik lidar sistemlerine kıyasla SNR değeri yüksek olmakla birlikte kuantum aydınlatma protokolüne göre daha düşüktür. Bununla birlikte özellikle gürültü ve arka-plan radyasyonu içeren senaryolarda faz-duyarsız protokollerin faydalı olacağı düşünülmektedir.

Şekil 2’de faz-duyarsız protokol ile kurulmuş örnek bir kuantum lidar şeması gösterilmektedir. Bir pompa lazer vasıtasıyla oluşturulan dolanık foton çiftlerinden birisi (kaynak) sistemde bir tek-foton dedektörü vasıtasıyla dijital olarak ölçülmekte ve diğer dolanık foton (signal) hedefe gönderilmektedir. Hedeften birçok açıyla yansıyabilen fotonlar geniş açılı bir lens içeren teleskop yardımıyla toplanmaktadır. Daha sonra toplanan fotonlar ise yine bir tek-foton dedektörüne gönderilmektedir. Tek foton dedektörleri, üzerine gelen fotonların varış zamanlarına bağlı olarak çok hızlı dijital sinyal üretebilen ve günümüzde pikosaniye zaman mertebesinde çalışabilen detektörlerdir. Tek foton dedektörlerinin zamana bağlı dijital çıkışlarının çapraz-korelasyonu bir harici modül üzerinde incelenerek hedef varlığı ve konumu hakkında bilgi sahibi olunabilmektedir. Dolanık fotonların yüksek arka plan gürültü sevilerinde dahi, yüksek korelasyon kalitesi sayesinde, tek-foton mertebesinde hedef tespiti yapılabilmektedir.

Kuantum ışık kaynağı altında hedef aydınlatılması ve hedeften gelen sinyallerle sistemde tutulan fotonların korelasyonlarının incelenmesi prensibi radar uygulamalarına adapte edilerek kuantum radarların da oluşturulması mümkündür. Kuantum lidar sistemlerinde kullanılan kuantum ışık kaynağı ve foton toplayıcı dedektör sisteminin uygun birimlerle (Josephson eklemleri ve mikrodalga-optik foton çeviriciler) değiştirilmesiyle radar için operasyonel olan mikro-dalga boyu aralığında çalışılabileceği değerlendirilmektedir. Bununla birlikte, kuantum radarın çalışacağı mikro-dalga frekansında sistem kaynaklı termal etkiler (mikro-dalga kubitlerin fonon ya da fotonlara çevrilmesi vb.) kuantum doğalı mikro-dalga yaratımında gürültü olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu termal gürültüden kurtulmak için mikro-dalga fotonların oluşturulup hedefe gönderildiği bütün komponentlerin çok düşük (mili-Kelvin) sıcaklıklara soğutulmasını gerektirmektedir.

Elektromanyetik alanların kuantum özellikleri kullanılarak özellikle uzaktan algılama alanında klasik limitlerin aşılabileceği gösterilmiştir. Uzaktan algılama sisteminin (lidar ya da radar) hedeften dönen fotonları diğer fotonlardan yüksek kuantum korelasyonlar sayesinde ayırabilmesi ise kuantum algılama teknolojisini mümkün kılmaktadır. Bu kuantum mekaniksel avantaj özellikle çok düşük radar kesitli hedef ve yüksek arka-plan radyasyonuna sahip ortamlarda ortaya çıkmaktadır. Gelecekte, kuantum temelli uzaktan algılama sistemlerinin özellikle gizli hedefler ve karşı-önleme sistemlerine karşı klasik algılama sistemlerine oranla üstün performans göstereceği düşünülmektedir.