ETH ज्यूरिख के शोधकर्ता दूरी पर क्वांटम मैकेनिकल सहसंबंध प्रदर्शित करते हैं

सॉलिड स्टेट फिजिक्स के प्रोफेसर एंड्रियास वालराफ के नेतृत्व में, शोधकर्ताओं ने क्वांटम यांत्रिकी के जवाब में अल्बर्ट आइंस्टीन द्वारा तैयार की गई "स्थानीय कारणता" की अवधारणा को खारिज करने के लिए एक खामियों से मुक्त बेल परीक्षण किया। यह दिखाते हुए कि क्वांटम यांत्रिक वस्तुएं जो दूर हैं, पारंपरिक प्रणालियों की तुलना में एक दूसरे के साथ अधिक मजबूती से सहसंबद्ध हो सकती हैं, शोधकर्ताओं ने क्वांटम यांत्रिकी के लिए और पुष्टि प्रदान की है। इस प्रयोग की खास बात यह है कि शोधकर्ता पहली बार सुपरकंडक्टिंग सर्किट का उपयोग करके इसे करने में सक्षम थे, जिन्हें शक्तिशाली क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए आशाजनक उम्मीदवार माना जाता है।

एक बेल परीक्षण एक प्रायोगिक सेटअप पर आधारित है जिसे शुरू में 1960 के दशक में ब्रिटिश भौतिक विज्ञानी जॉन बेल द्वारा एक विचार प्रयोग के रूप में तैयार किया गया था। बेल एक ऐसे प्रश्न का समाधान करना चाहते थे जिसके बारे में भौतिकी के दिग्गजों ने 1930 के दशक में पहले ही तर्क दे दिया था: क्या क्वांटम यांत्रिकी की भविष्यवाणियां, जो पूरी तरह से रोजमर्रा के अंतर्ज्ञान के विपरीत चलती हैं, सही हैं, या कार्य-कारण की पारंपरिक अवधारणाएं परमाणु सूक्ष्म जगत में भी लागू होती हैं, जैसा कि अल्बर्ट आइंस्टीन मानते थे?

इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए, बेल ने एक ही समय में दो उलझे हुए कणों पर एक यादृच्छिक माप करने और बेल की असमानता के विरुद्ध इसकी जाँच करने का प्रस्ताव रखा। यदि आइंस्टीन की स्थानीय कार्य-कारण की अवधारणा सत्य है, तो ये प्रयोग बेल की असमानता को हमेशा संतुष्ट करेंगे। इसके विपरीत, क्वांटम यांत्रिकी भविष्यवाणी करती है कि वे इसका उल्लंघन करेंगे।

1970 के दशक की शुरुआत में, जॉन फ्रांसिस क्लॉज़र, जिन्हें पिछले साल भौतिकी में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था, और स्टुअर्ट फ्रीडमैन ने पहला व्यावहारिक बेल परीक्षण किया। अपने प्रयोगों में, दो शोधकर्ता यह साबित करने में सक्षम थे कि बेल की असमानता का वास्तव में उल्लंघन हुआ है। लेकिन उन्हें अपने प्रयोगों को पहले स्थान पर करने में सक्षम होने के लिए कुछ धारणाएँ बनानी पड़ीं। तो, सैद्धांतिक रूप से, यह अभी भी मामला हो सकता है कि आइंस्टीन क्वांटम यांत्रिकी के संदेह में सही थे।

हालांकि, समय के साथ, इनमें से अधिक खामियों को बंद किया जा सकता है। अंत में, 2015 में, विभिन्न समूह पहले सही मायने में खामियों से मुक्त बेल परीक्षण करने में सफल रहे, इस प्रकार अंततः पुराने विवाद को सुलझा लिया।

वालरफ के समूह का कहना है कि अब वे एक नए प्रयोग के साथ इन परिणामों की पुष्टि कर सकते हैं। प्रसिद्ध वैज्ञानिक पत्रिका में प्रकाशित ETH शोधकर्ताओं द्वारा किया गया कार्य प्रकृति से पता चलता है कि सात साल पहले प्रारंभिक पुष्टि के बावजूद इस विषय पर शोध पूरा नहीं हुआ है। इसके अनेक कारण हैं। एक बात के लिए, ETH शोधकर्ताओं का प्रयोग इस बात की पुष्टि करता है कि सुपरकंडक्टिंग सर्किट क्वांटम यांत्रिकी के नियमों के अनुसार भी काम करते हैं, भले ही वे फोटॉन या आयनों जैसी सूक्ष्म क्वांटम वस्तुओं से बहुत बड़े हों। सुपरकंडक्टिंग सामग्रियों से बने और माइक्रोवेव आवृत्तियों पर संचालित कई सौ माइक्रोमीटर आकार के इलेक्ट्रॉनिक सर्किट को मैक्रोस्कोपिक क्वांटम ऑब्जेक्ट कहा जाता है।

एक और बात के लिए बेल टेस्ट का भी व्यावहारिक महत्व है। "संशोधित बेल परीक्षणों का उपयोग क्रिप्टोग्राफी में किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, यह प्रदर्शित करने के लिए कि जानकारी वास्तव में एन्क्रिप्टेड रूप में प्रसारित की जाती है," वाल्राफ के समूह में डॉक्टरेट के छात्र साइमन स्टॉर्ज़ बताते हैं। "हमारे दृष्टिकोण के साथ, हम बेल की असमानता का उल्लंघन करने वाले अन्य प्रायोगिक सेटअपों की तुलना में अधिक कुशलता से साबित कर सकते हैं। यह व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए इसे विशेष रूप से दिलचस्प बनाता है।"

इसलिए, प्रयोग की स्थापना करते समय, एक संतुलन बनाना महत्वपूर्ण है: दो अतिचालक परिपथों के बीच की दूरी जितनी अधिक होगी, मापन के लिए उतना ही अधिक समय उपलब्ध होगा - और प्रायोगिक सेटअप उतना ही अधिक जटिल हो जाएगा। ऐसा इसलिए है क्योंकि संपूर्ण प्रयोग पूर्ण शून्य के निकट निर्वात में किया जाना चाहिए।

ETH के शोधकर्ताओं ने कम से कम दूरी निर्धारित की है जिस पर एक सफल बचाव-मुक्त बेल परीक्षण करने के लिए लगभग 33 मीटर होना चाहिए, क्योंकि यह एक प्रकाश कण को ​​​​निर्वात में इस दूरी की यात्रा करने के लिए 110 नैनोसेकंड के बारे में लेता है। शोधकर्ताओं को प्रयोग करने में लगने वाले समय की तुलना में यह कुछ नैनोसेकंड अधिक है।

Wallraff की टीम ने ETH परिसर के भूमिगत गलियारों में एक प्रभावशाली सुविधा का निर्माण किया है। इसके प्रत्येक दो सिरों पर एक क्रायोस्टेट होता है जिसमें एक सुपरकंडक्टिंग सर्किट होता है। ये दो शीतलन उपकरण एक 30-मीटर-लंबी ट्यूब से जुड़े होते हैं, जिसका आंतरिक भाग परम शून्य (-273.15°C) से ठीक ऊपर के तापमान पर ठंडा किया जाता है।

प्रत्येक माप की शुरुआत से पहले, एक माइक्रोवेव फोटॉन दो सुपरकंडक्टिंग सर्किटों में से एक से दूसरे में प्रेषित होता है ताकि दोनों सर्किट आपस में उलझ जाएं। यादृच्छिक संख्या जनरेटर तब तय करते हैं कि बेल परीक्षण के हिस्से के रूप में दो सर्किटों पर कौन से माप किए जाते हैं। अगला, दोनों पक्षों के माप परिणामों की तुलना की जाती है।

दस लाख से अधिक मापों का मूल्यांकन करने के बाद, शोधकर्ताओं ने बहुत उच्च सांख्यिकीय निश्चितता के साथ दिखाया है कि इस प्रायोगिक सेटअप में बेल की असमानता का उल्लंघन हुआ है। दूसरे शब्दों में, उन्होंने पुष्टि की है कि क्वांटम यांत्रिकी भी मैक्रोस्कोपिक विद्युत परिपथों में गैर-स्थानीय सहसंबंधों की अनुमति देती है और इसके परिणामस्वरूप अतिचालक परिपथों को बड़ी दूरी पर उलझाया जा सकता है। यह वितरित क्वांटम कंप्यूटिंग और क्वांटम क्रिप्टोग्राफी के क्षेत्र में दिलचस्प संभावित अनुप्रयोगों को खोलता है।

वाल्राफ कहते हैं, सुविधा का निर्माण और परीक्षण करना एक चुनौती थी। "हम ईआरसी उन्नत अनुदान से वित्त पोषण के साथ छह साल की अवधि में परियोजना को वित्तपोषित करने में सक्षम थे।" पूरे प्रायोगिक सेटअप को परम शून्य के करीब के तापमान तक ठंडा करने में काफी मेहनत लगती है। "हमारी मशीन में 1.3 टन तांबा और 14,000 पेंच हैं, साथ ही भौतिकी ज्ञान और इंजीनियरिंग का एक बड़ा हिस्सा है," वॉलरफ कहते हैं। उनका मानना ​​है कि सिद्धांत रूप में ऐसी सुविधाओं का निर्माण करना संभव होगा जो समान तरीके से अधिक से अधिक दूरियों को पार कर सकें। उदाहरण के लिए, इस तकनीक का उपयोग सुपरकंडक्टिंग क्वांटम कंप्यूटरों को बड़ी दूरी पर जोड़ने के लिए किया जा सकता है।