29 Ocak 2018 Pazartesi

epiSTEM Türkiye Çevirileri - 3: Enformasyon Termodinamik




Neredeyse Mükemmel Verimle Çalışan Enformasyon Makinası

Güney Kore Ulsan Temel Bilimler Enstitüsü’ndeki fizikçiler Govind Paneru, Dong Yun Lee, Tsvi Tlusty, ve Hyuk Kyu Pak, Physical Review Letters dergisinin son sayısında kayıpsız enformasyon makinası ile ilgili bir makale yayınladı.

Enformasyon makinası?

Isıyı yani termal enerjiyi işe dönüştüren cihazların ısı makinası [1] olarak adlandırılması gibi, enformasyonu yani bilgiyi işe dönüştüren cihazlar da enformasyon makinası olarak adlandırılıyor. Bu makinalar veya böyle bir cihazın ilk kavramlaştırılmasına gönderme yapılarak verilen ismiyle "Maxwell'in cinleri" [2], enformasyon teorisi ve termodinamik arasında entropi kavramı üzerinden gerçekleşen ve bilim insanlarınca hala daha iyi anlaşılmaya çalışılan temel bir ilişki sayesinde yapılabiliyor. Termodinamikte düzensizliğin bir ölçüsü olan ve sıcaklıkla beraber artan entropi, enformasyon teorisinde karşımıza belirsizliğin ölçüsü olarak çıkıyor ve bilgi içeriğiyle beraber artıyor.

Yukarıda bahsi geçen fizikçilerden Pak’a göre Carnot’un 1824 yılında ısı makinalarının verimine bir sınır koymasından bu yana [3], makinalar üzerine düşünmek termodinamiğin ve istatistiksel fiziğin gelişmesinde itici bir güç teşkil ede geldi. Bilgi işlemeyi bu düşünceye ‘cinler’ formunda ekleyince ortaya çıkan yeni sınırların deneylerle doğrulanması da oldukça önemli oldu.

Pak ve arkadaşları yayınladıkları makalede bir enformasyon makinasının termodinamiğin geleneksel ikinci yasasını ihlal edecek kadar yüksek verimde çalışabileceğini deneysel olarak göstermiş oldu.

Termodinamiğin geleneksel ikinci yasası?

Bir ısı makinasının enerjiyi işe çevirmesindeki azami verimi termodinamiğin ikinci yasasıyla, yani son ve ilk durumlarının serbest enerjileri arasındaki farkla sınırlı [4]. Serbest enerji de termodinamik entropinin bir fonksiyonu [5]. Termodinamiğin geleneksel ikinci yasasından kasıt bu. Fakat bir makina çevresinden enformasyon kazanabiliyorsa bu kazanca karşılık gelen enformasyon entropisini de işe çevirebilir [6]. Son on yıl içinde yapılan birçok deney bu bağlamda makinaların ikinci yasayı aşabileceğini gösterdi.

Enformasyon makinalarının bu son deneysel gösterimleri, bir enformasyon makinasının enformasyonu işe çevirmesindeki verimde bir üst sınır olup olmadığı sorusunu doğal olarak akla getiriyor. Bu soruya cevap olarak, bazı araştırmacılar yakın bir zamanda enerji ve enformasyonun ikisinin de işe çevrilmesini hesaba katan, termodinamiğin ikinci yasasının genelleştirilmiş bir halini türetmişti. Genelleştirilmiş yasaya göre enformasyon makinasının yapabileceği iş iki bileşenin toplamı ile sınırlı olmalı [7]. Bu bileşenlerden ilki geleneksel yasanın geleneksel makinalar üzerine koyduğu sınıra karşılık gelen serbest enerjideki değişim. Diğer bileşen ise mevcut enformasyon miktarı ki işte bu bileşen enformasyondan çıkartılabilecek ekstra işe bir üst sınır getiriyor. Fakat şimdiye kadar hiçbir deneysel enformasyon makinası bu genelleştirilmiş yasanın öngördüğü üst sınıra yaklaşmamıştı.

Pak ve arkadaşlarının geliştirdiği makina, bu yeni sınıra yaklaşan ilk enformasyon makinası. Makalede yer alan sonuçlar, sadece “kayıpsız” – yani mevcut enformasyonun hiçbir kısmını kaybetmeden neredeyse tamamını işe dönüştüren – bir enformasyon makinasının gerçekleştirileceğini göstermiş olmuyor, ayrıca genelleştirilmiş ikinci yasanın koyduğu sınırın keskinliğini de deneysel olarak doğrulamış oluyor.

Genelleştirilmiş ikinci yasanın koyduğu azami verimi elde etmek için, Pak ve arkadaşları oda sıcaklığında ışık ile tuzaklanmış bir parçacıktan oluşan bir enformasyon makinası tasarladı ve yaptı. Deney düzeneğinde termal dalgalanmalar minik parçacığın konumunda Brownian hareket bağlamında rasgele ufak değişimlere sebep oluyor ve bir fotodiyot 1 nanometre uzamsal doğruluk ile bu değişimleri izliyor. Eğer parçacık önceden belirlenmiş bir doğrultuda belirli bir mesafeden daha uzağa hareket ederse, ışık tuzağı hızlı bir şekilde bu doğrultuda kaydırılıyor. Bu süreç tekrar ediyor, öyle ki zaman geçtikçe makina basitçe sistemin termal dalgalanmalarından elde ettiği enformasyondan çıkardığı iş ile parçacığı istenilen doğrultuda taşımış oluyor. Zira bu düzenekte serbest enerji bileşeni sıfır olduğu için çıkartılan işe katkıda bulunmuyor.

Bu sistemin en önemli özelliklerinden bir tanesi yaklaşık olarak anlık olan geribildirim tepkisi: tuzak bir milisaniyeden çok daha küçük bir sürede kaydığı için, parçacığa daha fazla hareket edecek ve enerji kaybedecek zaman tanımıyor. Sonuç olarak, kaymayla kazanılan enerjiden neredeyse ısıya hiç kayıp olmuyor, aksine bu enerjinin hemen hemen hepsi işe dönüştürülüyor. Pratik olarak herhangi bir enformasyon kaybını önleyerek, bu sürecin enformasyondan enerjiye dönüşümü genelleştirilmiş ikinci yasanın koyduğu sınırın yaklaşık olarak %98.5’ine ulaşıyor. Sonuçlar teorik sınıra destek veriyor ve enformasyondan azami miktarda iş çıkartılmasının mümkün olduğunu gösteriyor.

Teori üzerindeki etkilerinin yanı sıra sonuçlar ayrıca araştırmacıların gelecekte incelemeyi planladığı pratik uygulamalara da öncülük edebilir. Pak’a göre: “Hem nanoteknoloji, hem de canlı sistemler termal gürültü ile bilgi işleme arasındaki etkileşimin anlamlı olduğu ölçeklerde faaliyet gösteriyor. Enformasyonun moleküler süreçleri kontrol etmek ve onları doğru doğrultuda sürmek için kullanıldığı sistemlerin mühendisliği üzerine düşünülebilir. Bir olasılık, biyolojik sistemlerle ve mühendislik sistemlerinin melezlerini yaratmak, hatta belki canlı hücre içinde.”

[1] Buhar türbinlerinden Diesel motorlara kadar ısı makinaları yüzyıllardır teknolojide merkezi bir rol oynamaktadır.

[2] Enformasyon makinaları ilk olarak fizikçi James Clerk Maxwel tarafından 1867 – 1872 yılları arasında kavramsallaştırılmıştır. 1874 yılında William Thomson (Lord Kelvin) Nature dergisinde yayınlanan bir makalesinde bu makinalara Maxwell’in kullandığı “sonlu varlık”  adı yerine “cin” adını vermiştir.

[3] İki ısı kaynağı arasında faaliyet gösteren hiçbir ısı makinası aynı kaynaklar arasında faaliyet gösteren bir Carnot makinasından daha verimli olamaz. Bu makinalar Nicolas Léonard Sadi Carnot tarafından 1824 yılında geliştirilmiştir.

[4] Termodinamiğin ikinci yasasını -Wortalama Fson – Filk olarak yazabiliriz. Burada “-W” bir termodinamik süreçte sistemden çıkartılabilecek işi, “F” sistemin bir termodinamik durumdaki serbest enerjisini temsil etmektedir.

[5] Serbest enerji F = U – T S olarak tanımlanır. Burada “U” sistemin iç enerjisi, “T” sistemin sıcaklığı, “S” ise sistemin termodinamik entropisidir. Yani ikinci yasaya göre işi sınırlayan serbest enerji aslında termodinamik entropinin bir fonksiyonudur.

[6] Enformasyonun miktarı daha önce belirtildiği gibi enformasyon entropisi ile ölçülebilir.

[7] Genelleştirilmiş yasa -Wortalama (Fson – Filk) + k T Iortalama şeklinde yazılabilir. Burada “k” Boltzmann sabiti, “I” ise enformasyon entropisi.


Çevirinin/derlemenin bağlantısı: epiSTEM Türkiye

Çevirinin/derlemenin kaynağı: Phys. Org

(Not: Haber metnine çevirisi sırasında anlaşılabilirliği arttırmak için paragraf, hatta cümle düzeyinde yer değiştirmeler yapılmıştır. Bu sırada bazen çeviren tarafından metne yeni cümleler eklenmiş ya da mevcut cümleler düzeltilmiştir.)

Makale: Govind Paneru, Dong Yun Lee, Tsvi Tlusty, and Hyuk Kyu Pak. "Lossless Brownian Information Engine." Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.020601



23 Ocak 2018 Salı

epiSTEM Türkiye Çevirileri - 2: Kuantum Biyoloji



Deney, biyolojik sistemlerde kuantum mekaniksel etkiler gösteriyor

Nobel ödüllü fizikçi Erwin Schrödinger ilk olarak yaklaşık 75 yıl önce yayınlanan "What is life?" adlı kitabında atom-altı parçacıkların gizemli dünyasını betimleyen kuantum mekaniğinin biyolojide de bir rolü olup olmadığı sorusunu sormuştu. Northwestern Üniversitesi’nden Prem Kumar’ın son bulguları, bu soruya cevabın evet olabileceği yönünde yeni kanıtlar sunuyor bize.

Kumar ve ekibi, dünyada ilk kez bir biyolojik sistemde kuantum dolaşıklık yarattı. Kısmen Defense Advanced Research Projects Agency tarafından desteklenen ve 5 Aralık'ta Nature Communications'da yayınlanan bu araştırma, bilim insanlarının temel biyoloji anlayışını derinleştirebileceği gibi, kuantum mekaniğinden yaralanarak biyolojik araçların yeni amaçlar için kullanılmasının önündeki kapıları da aralayabilir.

Northwestern'de McCormick Mühendislik Okulu'nda elektrik mühendisliği ve bilgisayar bilimi, Weinberg Sanat ve Bilim Koleji'nde ise fizik ve astronomi profosörü olan Kumar, "Biyoloji öğrenmek için kuantum (teorik ve teknolojik) araçları kullanabilir miyiz?" diye soruyor ve ekliyor: "İnsanlar bu soruyu yıllardır, kuantum fiziğinin ilk günlerinden beri soruyor. Bu yeni kuantum durumlarına (yani dolaşık durumlara) karşı duyduğumuz bu ilginin temelinde başka şekilde kesinlikle mümkün olmayan uygulamara izin vermeleri yatıyor."

Yabancısı olanlar için kuantum dolaşıklığın kuantum mekaniğinin en gizemli olgularından bir tanesi olduğunu söyleyebiliriz. Atom, foton ya da elektron gibi iki parçacık dolaşık olduklarında, evrenin iki zıt köşesinde bulunsalar bile korunan ve anlaşılması güç bir bağ deneyimliyorlar. Öyle ki parçacıkların birinin davranışı diğerininkine bağlı oluyor. Örneğin, bir parçacığın spini belli bir doğrultuda bunuyorsa, eş zamanlı olarak diğerinin spinin doğrultusu da dolaşıklığın dayattığı şekilde değişiyor. Kumar dahil birçok araştırmacı kuantum iletişim dahil birçok uygulama için kuantum dolaşıklıktan faydalanmaya çalışıyor. Zira dolaşık parçacıklar telsiz veya kablosuz etkileşebilecekleri için, güvenli mesaj göndermede veya oldukça hızlı bir kuantum internet kurmada kullanılabilirler.

"Araştırmacılar üzerlerinde kuantum makineleri tasarlayıp inşa edecekleri bir zemin geliştirmek için her geçen gün daha da fazla sayıdaki atom veya fotonu dolaştırmak için uğraşıyor." diyor Kumar ve ekliyor: "Benim laboratuvarım ise bu makineleri bir biyolojik zemin üstünde inşa edebilir miyiz sorusunu soruyor."

Bahsi geçen çalışmada Kumar'ın ekibi biyo-ışımadan sorumlu olan ve biyomedikal araştırmalarda da sıklıkla kullanılan yeşil floresan ("green fluorescent") proteinlerini kullanıyor. Ekip alglerin fıçı-şekilli protein yapısı içindeki floresan ışıma yapan molekülleri birçok dalga boyunun birbiri ile etkileşip yeni dalgaboyları ürettiği ve "spontaneous four-wave mixing" adı verilen bir sürece maruz bırakarak, moleküllerin ürettikleri fotonları dolaştırmayı denemiş.

Böyle bir dizi deney boyunca Kumar ve ekibi başarılı bir şekilde foton çiftleri arasında polarizasyon dolaşıklığı olarak adlandırılan tipte bir dolaşıklık üretmiş. Polarizasyon, 3D filmleri izlerken kullandığımız gözlükleri yapmak için de kullanılan bir özellik ve kabaca ışık dalgalarındaki salınımların doğrultusu olarak düşünülebilir. Bir dalga dikey, yatay veya farklı bir açıda salınabilir. Kumar’ın dolaşık çiftlerinde fotonların polarizasyonu dolaşık, yani ışık dalgalarının salınım doğrultuları birbirine bağlı. Kumar "Bir parçacığın dikey polarizasyonunu ölçtüğümüz zaman, diğerinde de bunun aynı olması gerektiğini gördük. Bir parçacığın yatay polarizasyonunu ölçtüysek, diğer parçacıktaki yatay polarizasyonu tahmin edebildik. Aynı anda olasılıkların hepsinde birden ilintili olan bir dolaşık durum yarattık." diyor. Ayrıca floresan ışıma yapan molekülleri çevreleyen fıçı-şekilli yapının dolaşıklığı bozulmaktan koruduğunu belirtiyor.

Şu an biyolojik parçacıklardan kuantum dolaşıklık yaratmanın mümkün olduğunu göstermiş olan Kumar ve ekibi, bunun ardından bir kuantum makine inşa etmek için kullanılabilecek, dolaşık parçacıklardan oluşan bir biyolojik zemin yapmayı planlıyor. Ondan sonra böyle bir biyolojik zeminin sentetik bir benzerinden daha verimli çalışıp çalışmayacağını anlamayı deneyecekler.

Çevirinin/Derlemenin bağlantısı: epiSTEM Türkiye

Çevirinin/Derlemenin kaynağı: Phys. Org

Makale: Siyuan Shi et al. Generation of photonic entanglement in green fluorescent proteins, Nature Communications (2017). DOI: 10.1038/s41467-017-02027-9

iZ-LeYiCiLeR

e-PoSTa iLe İZ-Le