Hayatımızın farklı alanlarında karşımıza çıkan kuantum teknolojileri üzerine çalışmalarını kuantum optiği alanında sürdüren bilim insanlarından biri de Boğaziçi Üniversitesi’nde Fizik Bölümü’nde öğretim üyesi olan Prof. Dr. Naci İnci. Fiber optik, nano partiküller ve uygulamalarının fiziği, optik sensörler, kuantum optiği, kuantum bilişimi, kuantum kriptografisi konuları üzerine çalışmakta olan Prof. Dr. İnci ile bu alandaki gelişmeleri konuştuk.
Geçtiğimiz son 20 yıla damga vuran en önemli teknolojilerin başında kuantum teknolojileri geliyor. Kuantum teknolojileri aynı zamanda yeni bir bilgi çağının da habercisi. Devletler, şirketler ve bireyler açısından önemli dönüşümleri de beraberinde getiren bu çağın eşiğinde bugün en çok kullandığımız haberleşme teknolojisindeki verilere baktığımızda 2017’nin her bir dakikasında 100 milyon spam e-mail’i gönderildiğini, 4 milyon Youtube videosu izlendiğini, Amerika’da 2.657.000.000 megabyte internet verisi kullanıldığını görüyoruz.
Haberleşmenin yanı sıra hayatımızın farklı alanlarında da karşımıza çıkan kuantum teknolojileri üzerine çalışmalarını kuantum optiği alanında sürdüren bilim insanlarından biri de Boğaziçi Üniversitesi’nde Fizik Bölümü’nde öğretim üyesi olan Prof. Dr. Naci İnci. Fiber optik, nano partiküller ve uygulamalarının fiziği, optik sensörler, kuantum optiği, kuantum bilişimi, kuantum kriptografisi konuları üzerine çalışmakta olan Prof. Dr. İnci ile bu alandaki gelişmeleri konuştuk.
Prof. Dr. Naci İnci, 1987 yılında Marmara Üniversitesi’nden fizik dalında lisans derecesini, 1992’de ise fiber optik sensörler alanında Heriot-Watt Üniversitesi’nden (İngiltere) doktora derecesini aldı. 1993-1994 yılları arasında Stanford Üniversitesi, Elektrik Mühendisliği Bölümü’nde optik haberleşme alanında doktora sonrası çalışmalar yaptı. 1994 yılında Boğaziçi Üniversitesi Fizik Bölümünde Yardımcı Doçent oldu. 1996 yılında Doçentliğe yükseltildi. 1998-1999 yıllarında fiber optik sensörlerin endüstriyel uygulamaları üzerine Gunma Üniversitesi’ne (Japonya) konuk araştırmacı olarak çalıştı. 1999-2005 yılları arasında Sabancı Üniversitesi, Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesinde öğretim üyeliği yaptı; üniversitenin temel ve araştırma laboratuvarları ile diğer lisans ve lisansüstü programlarının kurulmasında görev aldı.
2005 yılında Boğaziçi Üniversitesi Fizik Bölümü’ne Profesör olan ve 2014-2018 döneminde Bölüm Başkanlığı yapan İnci, Stuttgart Üniversitesi (Almanya), Gunma Üniversitesi (Japonya), Norveç Teknik Üniversitesi ve Heriot-Watt Üniversitesi olmak üzere (İngiltere) yurtdışında çeşitli üniversitelerde konuk profesör olarak bulundu.
Prof. Dr. Naci İnci fiber optik, nano partiküller ve uygulamalarının fiziği, optik sensörler, kuantum optiği, kuantum bilişimi, kuantum kriptografisi konuları üzerine çalışıyor ve araştırmalar yürütüyor. Üniversite-sanayi ilişkilerinin geliştirilmesine yönelik katkıları kapsamında ise Prof. Dr. İnci’nin iki uluslararası patenti bulunuyor.
Hocam, çalışma alanlarınıza değinerek başlayabilir miyiz?
Boğaziçi Üniversitesi’ne öğretim üyesi olarak girdiğim dönemde fiber optik sensörler üzerinde çalışmaya başladım. Fiber optik sensörlerde dış dünyadaki bazı parametreleri mesela sıcaklık, manyetik alan, voltaj, havadaki nem miktarını ölçmek gibi araştırmaların yanısıra fiber optik telekomünikasyon kısmıyla da uğraşmıştım. Bu kapsamda geliştirdiğimiz bir sensör önde gelen bir sanayi kuruluşu tarafından patentlendi. Bizim o projede geliştirdiğimiz fiber optik sensörü beyaz eşyada test etmeye başladılar. Örneğin, bir buzdolabının sebze ve meyve olan kısımlarındaki nem oranının belli bir seviyede olması gerekiyor; nem bu seviyenin altına düşerse yiyecekler çürümeye başlıyor. Bizim geliştirdiğimiz fiber optik sensörler bu hassasiyete duyarlı olarak çalışıyordu ve ve nem belli bir seviyenin altına düştüğünde alarm veriyordu. Bu buluşla iki ayrı patente sahip olduk.
Endüstride kullanılabilecek çeşitli çalışmalarımız kapsamında ise gaz sensörleri geliştirdik. Fiber optik sensörlerin yanında optik ve temassız üç boyutlu görüntü elde etme çalışmaları yaptık. Günümüzdeki robotik teknolojilerini bilirsiniz; bazı robotların gören kısmında optik bir sensör vardır. Robot bir ayağını kaldıracak veya bir yere tırmanacak ise önce o merdivenin görüntüsünü alır, bunu bir işleme tabi tutar. Ondan sonra onun üç boyutlu topografisini çıkarır. Buna göre ayağını ne kadar kaldıracak, ne kadar yaklaşacak gibi hesaplamalar yapar. Bunu yaparken görüntüyü almak için ışığı gönderir, ışık yansır ve tekrar geri gelir. Işık fazında olan deformasyonlardan yola çıkarak etrafındaki eşyanın üç boyutlu bir haritasını çıkarır. Bu süreçlerde malzeme mühendisliğinden telekomünikasyona, mekatronikten makine ve elektroniğe mühendisliğine kadar pek çok disiplin işin içine girer. Bu süreçlerde bizim ilgilendiğimiz kısım ise optik bazlı, üç boyutlu, temassız topografi çıkarmak olarak ifade edilebilir. Bu tıpkı fotoğraf çekmeye benzer. Burada yapılan ışığın oluşturduğu deformasyondan üç boyutlu görüntü oluşturmaktır.
Temassız topografi hangi alanlarda kullanılır?
En sık biçimde robotikte, yüz tanımada kullanılıyor. Ancak siz 3-4 mikronluk bir kan hücresine bakıyorsanız o zaman işler daha da zorlaşıyor, çünkü çözünürlüğü ve oraya göndereceğiniz optik desen değişiyor. Mesela bir insan yüzünün topoğrafisini çıkarmak için belli bir optik desen gönderiyorsunuz, genellikle bu optik şeritler şeklinde olabiliyor. Bunu üretmek son derece kolaydır. Hatta daha küçüğünü de yapabilirsiniz ama kan hücresine ya da 3-5 mikronluk bir dokuya gittiğiniz zaman ona özel bir şey geliştirmeniz gerekiyor ki o deseni oluşturabilsin. Bu da optik ve fizik bilgisi gerektiriyor. Elektromanyetik dalgaların nasıl davrandığını anlayabilmeniz lazım ve onların hangi koşullarda böyle bir alanı aydınlatacak deseni oluşturduğunu hesaplayıp kestirebilmeniz ve onu da gerçekleştirebilmeniz gerekiyor. Sadece bu da yetmiyor, diyelim ki optik deseni gönderdiniz ve üç boyutlu bir topografi elde ettiniz ama bazı uç kısımlar çok keskinse sizin programınız orayı göremez. Onun için algoritmalar geliştirmek zorunda kalırsınız. Makroskopik düzeyde hassas sonuçlar alsanız bile mikro düzeyde problemler çıkabiliyor. Mikronun da altına inmek isterseniz, onlarla beraber örneğin o desenleri kullanarak bu sefer de farklı manipülasyonlar yapmanız gerekir. Kısacası, çözülmüş olan bir problem üzerinde çalışıyor olsanız bile, hatta oturmuş olan bir teknoloji de olsa o konudaki araştırma hiçbir zaman bitmiyor, çünkü her zaman daha iyisini yapmaya çalışıyorsunuz. Bu sonu olmayan bir yarış. Bilimde de teknolojide de bu yarış devam ediyor ve her zaman da devam edecek.
Sağlık sektörü sizin çalışmalarınızın uygulama alanında mı?
Boğaziçi Üniversitesi Fizik Bölümü öğretim üyesi Prof. Dr. Burçin Ünlü hocanın grubuyla akustik mikroskop gibi birlikte çalıştığımız bazı projeler var. Plak ve damarların içerisindeki kanserli ya da kanserli olmayan dokuları birkaç metotla analiz ediyoruz. Onlar örneğin akustik dalga göndererek hasta olan ve sağlıklı olan kısımdan yansıyan o ses dalgalarının faz bilgilerinin farklı olduğunu görebiliyorlar.
Bu sadece bir yöntem, tabii başka yöntemler de var. Burçin hoca ile ortak yaptığımız ve geçen yıl yayınladığımız projede sözkonusu dokulara ışıkla bakıyoruz. Hasta olan dokuya nano bir parçacık yerleştiriliyor ve uyarmak için optik bir puls (darbe) gönderiyoruz. Diğer bir deyişle, nano parçacığı darbeli bir lazerle uyarıyoruz, bunun sonucunda nanoparçacık uyarılıyor ve tek renge yakın bir ışıma veriyor. Nanoparçacık dokuyla etkileşime girdiği için, yayılan ışımanın yarı-ömründe bir değişim meydana geliyor. Nanoparçacığın etkileşime girdiği doku sağlıklıysa farklı bir ışıma karakteristiği, sağlıksızsa farklı bir ışıma karakteristiği alıyorsunuz; ve gerçekten aralarında büyük bir fark görebiliyorsunuz. Bütün bu değişimin çalışma mekanizması quantum fizik/optik ile açıklanıyor. Akustik mikroskop sonuçlarıyla bizim zaman bazlı sonuçları karşılaştırıyoruz ve bire bir tuttuklarını görüyoruz. Sağlıklı ve sağlıksız hücrelerin karakterlerinin gerçekten farklı olduğunu bu şekilde tespit edebiliyoruz.
Bahsettiğiniz yöntem foto akustik mikroskop projesinde tamamlayıcı mı yoksa tamamen ayrı bir yöntem mi?
Aslında tamamen ayrı bir yöntem. Fiziği, çalışma prensibi tamamen farklı bir yöntem ama tamamlayıcılık açısında sorarsanız belki cross-check demek daha doğru olabilir. Biz kuantum noktaları koyuyoruz, kuantum noktalar ışık aracılığıyla hücrelerle etkileşime giriyor ve onun kuantum özelliklerini değiştiriyor. Burada yaptığımız kuantum optiğe giriyor, yani bu bakımdan tamamen farklı bir alan.
Kuantum optik ne gibi konularla ilgileniyor?
Kuantum optik, atom ve molekül bazında tek tek veya sistemlerin birbirleriyle etkileşimlerini kapsayabilen çok geniş bir alan. CD’lerdeki lazerlerin yapımı ve çalışma prensibinden tutun da kuantum bilgisayarlara kadar kadar pek çok konu bu alana giriyor. Size bahsettiğim tamamen medikal amaçlı olan projede bir kuantum nokta alarak dokunun hasta olup olmadığını anlamak da küçük bir lazerin CD’nizi çalıştırma prensibi de kuantum optiğin kapsamına giriyor.
Örneğin gelecekte yapılacağı neredeyse kesin görünen kuantum telekomünikasyon, kuantum bilişim ve kuantum bilgisayarlarıyla olan çalışmaların da büyük bir kısmı tamamen kuantum optik üzerine kurulu olacaktır. Sebebi de şu; günümüzde bir banka kartının şifresini kırabilmek için binlerce bilgisayarı birbirine bağlayıp 3 bin sene boyunca o bilgisayarların çalıştırılması gerekiyor çünkü şifre kodlaması ve çözmesi son karmaşık ve son derece zor. Fakat günün birinde kuantum bilgisayarlar hayata geçirilebilirse depoladığınız verileriniz, banka şifreleriniz, askeri sırlarınız artık bir anda çözülebilir, kırılabilir olacaktır. Klasik metotlarla kodlanan ve depolanan hiçbir veri gizli kalamayacaktır. Kuantum bilgisayarları olanlar her türlü sırrı çözebilecek.
Bu durumda buna karşı bir çözüm olması için bir taraftan kuantum kriptografi de geliştiriliyor. Burada da en tercih edilen yöntem tek fotonlu komünikasyon çünkü tek bir foton bir şekilde çalınırsa bu hemen anlaşılır zira foton kuantum mekaniksel bir varlık ve onun üzerindeki herhangi bir ölçüm/tasarruf onun kuantum durumunu değiştireceğinden, verici ve alıcı konumundakiler bunu rahatlıkla fark eder. Şu anki durumda ise milyonlarca foton olduğu için çalınma riski çok daha fazla. Tek foton kaynağı oluşturmak üzerine bugün dünyada pek çok araştırma merkezi çalışıyor. Türkiye’de de bazı üniversite gruplarında çalışmalar var. Ancak henüz dört dörtlük çalışan, güvenilir bir kaynak üretilmiş değil.
Bu alanın geleceğine dair neler öngörüyorsunuz, kuantum optik alanı araştırmacılara neler vaat ediyor?
Kuantum optik kapsamı çok geniş olan bir teknoloji. Kuantum optiğin biyoloji ile olan etkileşimini düşünürseniz sonsuz büyüklükte bir araştırma ve geliştirme alanı açıyor. Siz kuantum teknolojilerini kullanarak geliştireceğiniz cihazlarla biyolojik sistemleri entegre edebilirseniz hem patentlenmiş ürün olarak hem de know – how olarak önemli kazanımlara sahip olabilirsiniz ülke olarak.
Bilgi güçtür, bizim bu gücün farkında olmamız gerekiyor. Bu açıdan üniversitelerin rolüne baktığımızda üniversitelerde, bizim gibi temel bilimler alanında çalışmakta olan bilim insanları ufukta olan problemlerle uğraşırlar; ilgili disiplinlerde donanıma sahip doktoralı uzmanlar yetiştirirler. Teknolojiyi geliştirip onu endüstriyel/ticari ürüne tahvil edecek olan ise yine üniversitelerle sıkı işbirliğindeki Ar-Ge yapan teknoloji şirketleridir.
