नैनोटेक्नोलॉजी नाउ - प्रेस विज्ञप्ति: भौतिकविदों ने पहली बार व्यक्तिगत अणुओं को 'उलझाया' है, जिससे क्वांटम सूचना प्रसंस्करण की संभावनाएं तेज हो गई हैं: ऐसे काम में जो अधिक मजबूत क्वांटम कंप्यूटिंग को जन्म दे सकता है, प्रिंसटन के शोधकर्ताओं ने अणुओं को क्वांटम उलझाव में मजबूर करने में सफलता हासिल की है

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Laser setup for cooling, controlling, and entangling individual molecules. क्रेडिट फोटो रिचर्ड सोडेन, भौतिकी विभाग, प्रिंसटन विश्वविद्यालय द्वारा

सार:
पहली बार, प्रिंसटन भौतिकविदों की एक टीम व्यक्तिगत अणुओं को विशेष अवस्थाओं में एक साथ जोड़ने में सक्षम हुई है जो क्वांटम यांत्रिक रूप से "उलझी हुई" हैं। इन विचित्र अवस्थाओं में, अणु एक-दूसरे के साथ सहसंबद्ध रहते हैं - और एक साथ बातचीत कर सकते हैं - भले ही वे मीलों दूर हों, या वास्तव में, भले ही वे ब्रह्मांड के विपरीत छोर पर हों। यह शोध हाल ही में साइंस जर्नल में प्रकाशित हुआ था।

भौतिकविदों ने पहली बार व्यक्तिगत अणुओं को 'उलझाया', क्वांटम सूचना प्रसंस्करण की संभावनाओं को तेज किया: ऐसे काम में जो अधिक मजबूत क्वांटम कंप्यूटिंग को जन्म दे सकता है, प्रिंसटन के शोधकर्ताओं ने अणुओं को क्वांटम उलझाव में मजबूर करने में सफलता हासिल की है

प्रिंसटन, एनजे | 8 दिसंबर, 2023 को पोस्ट किया गया

प्रिंसटन विश्वविद्यालय में भौतिकी के सहायक प्रोफेसर और पेपर के वरिष्ठ लेखक लॉरेंस चेउक ने कहा, "क्वांटम उलझाव के मूलभूत महत्व के कारण यह अणुओं की दुनिया में एक सफलता है।" "लेकिन यह व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए भी एक सफलता है क्योंकि उलझे हुए अणु भविष्य के कई अनुप्रयोगों के लिए बिल्डिंग ब्लॉक हो सकते हैं।"

इनमें शामिल हैं, उदाहरण के लिए, क्वांटम कंप्यूटर जो पारंपरिक कंप्यूटरों की तुलना में कुछ समस्याओं को बहुत तेजी से हल कर सकते हैं, क्वांटम सिमुलेटर जो जटिल सामग्रियों को मॉडल कर सकते हैं जिनके व्यवहार को मॉडल करना मुश्किल है, और क्वांटम सेंसर जो अपने पारंपरिक समकक्षों की तुलना में तेजी से माप सकते हैं।

भौतिकी विभाग में स्नातक छात्र कॉनर हॉलैंड ने कहा, "क्वांटम विज्ञान करने की प्रेरणाओं में से एक यह है कि व्यावहारिक दुनिया में यह पता चलता है कि यदि आप क्वांटम यांत्रिकी के नियमों का उपयोग करते हैं, तो आप कई क्षेत्रों में बहुत बेहतर कर सकते हैं।" और काम पर एक सह-लेखक।

क्वांटम उपकरणों की शास्त्रीय उपकरणों से बेहतर प्रदर्शन करने की क्षमता को "क्वांटम लाभ" के रूप में जाना जाता है। और क्वांटम लाभ के मूल में सुपरपोजिशन और क्वांटम उलझाव के सिद्धांत हैं। जबकि एक शास्त्रीय कंप्यूटर बिट 0 या 1 का मान मान सकता है, क्वांटम बिट्स, जिन्हें क्वबिट्स कहा जाता है, एक साथ 0 और 1 के सुपरपोजिशन में हो सकते हैं। बाद की अवधारणा, उलझाव, क्वांटम यांत्रिकी का एक प्रमुख आधारशिला है, और तब होता है जब दो कण एक-दूसरे से अटूट रूप से जुड़ जाते हैं जिससे यह संबंध बना रहता है, भले ही एक कण दूसरे कण से प्रकाश वर्ष दूर हो। यह वह घटना है जिसे अल्बर्ट आइंस्टीन, जिन्होंने सबसे पहले इसकी वैधता पर सवाल उठाया था, ने इसे "दूर से होने वाली डरावनी कार्रवाई" के रूप में वर्णित किया था। तब से, भौतिकविदों ने प्रदर्शित किया है कि उलझाव, वास्तव में, भौतिक दुनिया का सटीक विवरण है और वास्तविकता कैसे संरचित है।

"क्वांटम उलझाव एक मौलिक अवधारणा है," चेउक ने कहा, "लेकिन यह प्रमुख घटक भी है जो क्वांटम लाभ प्रदान करता है।"

लेकिन क्वांटम लाभ का निर्माण करना और नियंत्रणीय क्वांटम उलझाव को प्राप्त करना एक चुनौती बनी हुई है, कम से कम इसलिए नहीं क्योंकि इंजीनियर और वैज्ञानिक अभी भी इस बारे में स्पष्ट नहीं हैं कि क्वैबिट बनाने के लिए कौन सा भौतिक मंच सबसे अच्छा है। पिछले दशकों में, कई अलग-अलग प्रौद्योगिकियों - जैसे फंसे हुए आयन, फोटॉन, सुपरकंडक्टिंग सर्किट, केवल कुछ के नाम - को क्वांटम कंप्यूटर और उपकरणों के लिए उम्मीदवारों के रूप में खोजा गया है। इष्टतम क्वांटम प्रणाली या क्वबिट प्लेटफ़ॉर्म विशिष्ट अनुप्रयोग पर बहुत अच्छी तरह निर्भर हो सकता है।

हालाँकि, इस प्रयोग तक, अणुओं ने लंबे समय तक नियंत्रणीय क्वांटम उलझाव को चुनौती दी थी। लेकिन चेउक और उनके सहयोगियों ने प्रयोगशाला में सावधानीपूर्वक हेरफेर के माध्यम से, व्यक्तिगत अणुओं को नियंत्रित करने और उन्हें इन इंटरलॉकिंग क्वांटम राज्यों में शामिल करने का एक तरीका ढूंढ लिया। उनका यह भी मानना ​​था कि अणुओं के कुछ फायदे हैं - उदाहरण के लिए, परमाणुओं की तुलना में - जो उन्हें क्वांटम सूचना प्रसंस्करण और जटिल सामग्रियों के क्वांटम सिमुलेशन में कुछ अनुप्रयोगों के लिए विशेष रूप से उपयुक्त बनाता है। उदाहरण के लिए, परमाणुओं की तुलना में, अणुओं में स्वतंत्रता की अधिक क्वांटम डिग्री होती है और वे नए तरीकों से बातचीत कर सकते हैं।

इलेक्ट्रिकल और कंप्यूटर इंजीनियरिंग में स्नातक छात्र और पेपर के सह-लेखक युकाई लू ने कहा, "व्यावहारिक रूप से इसका मतलब यह है कि क्वांटम जानकारी को संग्रहीत और संसाधित करने के नए तरीके हैं।" उदाहरण के लिए, एक अणु कई मोड में कंपन और घूम सकता है। तो, आप क्वबिट को एन्कोड करने के लिए इनमें से दो मोड का उपयोग कर सकते हैं। यदि आणविक प्रजाति ध्रुवीय है, तो दो अणु स्थानिक रूप से अलग होने पर भी परस्पर क्रिया कर सकते हैं।

बहरहाल, अणुओं को उनकी जटिलता के कारण प्रयोगशाला में नियंत्रित करना बेहद कठिन साबित हुआ है। स्वतंत्रता की वही डिग्री जो उन्हें आकर्षक बनाती है, उन्हें प्रयोगशाला सेटिंग में नियंत्रित करना या नियंत्रित करना भी कठिन बना देती है।

चेउक और उनकी टीम ने सावधानीपूर्वक सोचे-समझे प्रयोग के माध्यम से इनमें से कई चुनौतियों का समाधान किया। उन्होंने सबसे पहले एक ऐसी आणविक प्रजाति चुनी जो ध्रुवीय हो और जिसे लेजर से ठंडा किया जा सके। इसके बाद उन्होंने अणुओं को लेजर से अत्यंत ठंडे तापमान पर ठंडा किया, जहां क्वांटम यांत्रिकी केंद्र में है। फिर अलग-अलग अणुओं को कसकर केंद्रित लेजर बीम, तथाकथित "ऑप्टिकल चिमटी" की एक जटिल प्रणाली द्वारा उठाया गया। चिमटी की स्थिति की इंजीनियरिंग करके, वे एकल अणुओं की बड़ी श्रृंखला बनाने और उन्हें व्यक्तिगत रूप से किसी भी वांछित एक-आयामी विन्यास में रखने में सक्षम थे। उदाहरण के लिए, उन्होंने अणुओं के अलग-अलग जोड़े और अणुओं की दोष-मुक्त श्रृंखलाएँ भी बनाईं।

इसके बाद, उन्होंने एक क्वबिट को अणु की गैर-घूर्णन और घूर्णन अवस्था में एन्कोड किया। वे यह दिखाने में सक्षम थे कि यह आणविक कक्षा सुसंगत रही, यानी, इसे अपनी सुपरपोजिशन याद रही। संक्षेप में, शोधकर्ताओं ने व्यक्तिगत रूप से नियंत्रित अणुओं से अच्छी तरह से नियंत्रित और सुसंगत क्वैबिट बनाने की क्षमता का प्रदर्शन किया।

अणुओं को उलझाने के लिए, उन्हें अणु को परस्पर क्रिया कराना पड़ा। माइक्रोवेव दालों की एक श्रृंखला का उपयोग करके, वे व्यक्तिगत अणुओं को सुसंगत तरीके से एक दूसरे के साथ बातचीत करने में सक्षम थे। बातचीत को एक सटीक समय तक आगे बढ़ने की अनुमति देकर, वे दो-क्विबिट गेट को लागू करने में सक्षम थे जो दो अणुओं को उलझा देता था। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि इस तरह का उलझा हुआ टू-क्विबिट गेट सार्वभौमिक डिजिटल क्वांटम कंप्यूटिंग और जटिल सामग्रियों के सिमुलेशन दोनों के लिए एक बिल्डिंग ब्लॉक है।

आणविक चिमटी सरणियों के इस नए मंच द्वारा पेश की गई नवीन सुविधाओं को देखते हुए, क्वांटम विज्ञान के विभिन्न क्षेत्रों की जांच के लिए इस शोध की क्षमता बड़ी है। विशेष रूप से, प्रिंसटन टीम कई परस्पर क्रिया करने वाले अणुओं की भौतिकी की खोज में रुचि रखती है, जिसका उपयोग क्वांटम कई-शरीर प्रणालियों का अनुकरण करने के लिए किया जा सकता है जहां चुंबकत्व के नए रूप जैसे दिलचस्प उभरते व्यवहार दिखाई दे सकते हैं।

चेउक ने कहा, "क्वांटम विज्ञान के लिए अणुओं का उपयोग एक नई सीमा है और ऑन-डिमांड उलझाव का हमारा प्रदर्शन यह प्रदर्शित करने में एक महत्वपूर्ण कदम है कि अणुओं को क्वांटम विज्ञान के लिए एक व्यवहार्य मंच के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है।"

साइंस के उसी अंक में प्रकाशित एक अलग लेख में, हार्वर्ड विश्वविद्यालय में जॉन डॉयल और कांग-कुएन नी और मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी में वोल्फगैंग केटरले के नेतृत्व में एक स्वतंत्र अनुसंधान समूह ने समान परिणाम प्राप्त किए।

चेउक ने कहा, "यह तथ्य कि उन्हें समान परिणाम मिले, हमारे परिणामों की विश्वसनीयता की पुष्टि करते हैं।" "वे यह भी दिखाते हैं कि आणविक चिमटी सरणियाँ क्वांटम विज्ञान के लिए एक रोमांचक नया मंच बन रही हैं।"

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प्रिंसटन विश्वविद्यालय
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कॉनर एम. हॉलैंड, युकाई लू और लॉरेंस डब्ल्यू. चेउक द्वारा अध्ययन, "ऑन-डिमांड एंटैंगलमेंट ऑफ मॉलिक्यूल्स इन अ रीकंफिगरेबल ऑप्टिकल ट्वीजर ऐरे", 8 दिसंबर, 2023 को साइंस में प्रकाशित हुआ था। डीओआई: 10.1126/साइंस.एडीएफ4272:

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• स्रोत: http://www.nanotech-now.com/news.cgi?story_id=57430