भौतिकविदों का कहना है कि क्वांटम यांत्रिकी और थर्मोडायनामिक्स दोनों सत्य हो सकते हैं - फिजिक्स वर्ल्ड

भौतिकविदों का कहना है कि क्वांटम यांत्रिकी और थर्मोडायनामिक्स दोनों सत्य हो सकते हैं - फिजिक्स वर्ल्ड

समय टिकट: 28 जुलाई, 2023 12:00 अपराह्न
स्रोत नोड: 2790619

क्वांटम थर्मोडायनामिक्स का चित्रण। शीर्ष पर कांच को तोड़ने वाली फिल्म की स्थिर-फ़्रेम छवियां हैं, जो बढ़ती एन्ट्रापी का प्रतिनिधित्व करती हैं। नीचे एक फोटोनिक चिप की छवि है जिसके माध्यम से प्रकाश की किरणें यात्रा कर रही हैं। मध्य शो की घड़ियाँ दोनों अनुक्रमों के माध्यम से समय को उलटने का प्रतिनिधित्व करती हैं
समय का तीर: जर्मनी और नीदरलैंड के शोधकर्ताओं ने एक फोटोनिक क्वांटम प्रोसेसर में थर्मोडायनामिक्स (टूटे हुए कांच द्वारा दर्शाया गया) और क्वांटम यांत्रिकी के बीच संबंधों का पता लगाया है। (सौजन्य: फ्लोरियन स्टर्ल/स्टरलटेक ऑप्टिक्स)

नीदरलैंड और जर्मनी के भौतिकविदों ने दिखाया है कि थर्मोडायनामिक्स और क्वांटम यांत्रिकी के सिद्धांत क्वांटम प्रोसेसर में फोटॉन के व्यवहार का वर्णन करने के दोनों वैध तरीके हैं। ट्वेंटी विश्वविद्यालय और फ़्री यूनिवर्सिटैट बर्लिन के शोधकर्ताओं द्वारा प्राप्त परिणाम, इन दो महान सिद्धांतों को कैसे समेटा जाए, इसकी गहरी समझ का द्वार खोलते हैं।

थर्मोडायनामिक्स और क्वांटम यांत्रिकी आधुनिक भौतिकी की आधारशिला हैं, लेकिन एक विशिष्ट, महत्वपूर्ण तरीके से, वे एक-दूसरे के साथ मेल नहीं खाते हैं। विवाद का मुद्दा थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम के इर्द-गिर्द घूमता है, जो बताता है कि एक बंद प्रणाली अपरिवर्तनीय तरीके से अधिकतम एन्ट्रापी (सिस्टम की अव्यवस्था, या अराजकता का एक उपाय) की ओर बढ़ेगी। इसके विपरीत, क्वांटम यांत्रिकी का सिद्धांत, कणों की पिछली स्थितियों की गणना करने की अनुमति देता है, जिसका अर्थ है कि सूचना और समय का प्रवाह दोनों प्रतिवर्ती हैं।

हाल के वर्षों में, अल्ट्राकोल्ड परमाणुओं या सुपरकंडक्टिंग क्वांटम बिट्स (क्यूबिट्स) जैसे उलझे हुए क्वांटम सिस्टम का उपयोग करके इस संघर्ष का पता लगाने के कई प्रयास किए गए हैं। यह देखकर कि जब ये प्रणालियाँ थर्मलाइज़ और संतुलित होती हैं तो क्या होता है, एक ही समय में उनकी एन्ट्रापी और क्वांटम स्थितियों को मापना संभव होना चाहिए, और इस प्रकार विरोधाभास को हल करना चाहिए।

समस्या यह है कि क्वांटम सिस्टम अपने पर्यावरण के साथ बातचीत के प्रति बहुत संवेदनशील हैं। इससे ऐसा सिस्टम बनाना कठिन हो जाता है जो वास्तव में बंद हो। उनमें अपनी क्वांटम प्रकृति खोने का भी खतरा है, एक प्रक्रिया जिसे डीकोहेरेंस के रूप में जाना जाता है, जिससे समय के उलट होने को लागू करना मुश्किल हो जाता है।

बचाव के लिए फोटोनिक्स

इन चुनौतियों से निपटने के लिए, टीम ने उलझे हुए फोटॉन के सिस्टम में थर्मलाइजेशन और संतुलन का अध्ययन करना चुना। (उदाहरण के लिए) परमाणुओं से बने क्वांटम सिस्टम की तुलना में फोटॉन के कई फायदे हैं। उनकी आंतरिक रूप से क्वांटम प्रकृति का मतलब है कि वे विकृति से ग्रस्त नहीं हैं। परमाणुओं के लिए आवश्यक अल्ट्रालो तापमान के विपरीत, उनका अध्ययन कमरे के तापमान पर किया जा सकता है, और हस्तक्षेप के साथ हेरफेर करना आसान है। सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि वे समय को उलटने की अनुमति देते हैं: फोटॉनों के किसी भी मिश्रण को उलटा ऑपरेशन करके उलटा किया जा सकता है, जिसका अर्थ है कि उलझे हुए फोटॉन, वास्तव में, "विघटित" हो सकते हैं।

प्रयोग में, शोधकर्ता एक चिप पर वेवगाइड चैनलों में एकल फोटॉन को इंजेक्ट करके शुरू करते हैं। ये फोटॉन वहां हस्तक्षेप करते हैं जहां चिप पर फोटोनिक चैनल मिलते हैं और पार करते हैं। यह हस्तक्षेप, जिसे टीम ने थर्मो-ऑप्टिक माच-ज़ेन्डर इंटरफेरोमीटर से नियंत्रित किया, वेवगाइड्स में फोटॉन का एक सुपरपोजिशन बनाता है और उलझाव को बनने की अनुमति देता है। फिर एकल-फोटॉन डिटेक्टरों से फोटॉन का पता लगाया जाता है।

साथ ही सच भी

सिस्टम की एन्ट्रापी में स्थानीय और कुल वृद्धि का निर्धारण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने प्रोटोकॉल की एक श्रृंखला का प्रदर्शन किया। उदाहरण के लिए, समय प्रतिवर्तीता को फोटॉन को अलग करके लागू किया गया था, जो प्रोसेसर द्वारा प्रयोग पर दिए गए पूर्ण नियंत्रण के कारण संभव था।

एक बार जब ये प्रोटोकॉल पूरे हो गए, तो प्रयोग के व्यक्तिगत आउटपुट चैनलों में माप से पता चला कि फोटॉन संख्याओं को अब सटीक रूप से परिभाषित नहीं किया जा सकता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि फोटॉन एक साथ उलझी हुई अवस्था में थे और अब एक ही चैनल में व्यक्तिगत रूप से स्थानीयकृत नहीं थे क्योंकि वे इनपुट पर थे। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने प्रत्येक चैनल में मापे गए फोटॉन आंकड़ों से पता चला है कि थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम के अनुरूप, सभी चैनलों में एन्ट्रापी स्थानीय रूप से बढ़ी है। साथ ही, फोटॉन के बीच बनी उलझन अलग-अलग चैनलों में दिखाई नहीं देती है: केवल पूरे सिस्टम पर विचार करने पर ही यह स्पष्ट होता है कि समग्र क्वांटम स्थिति शुद्ध रूप में है, जो क्वांटम यांत्रिकी के अनुरूप है।

अंतिम जांच के रूप में, भौतिकविदों ने प्रोसेसर को उसकी मूल स्थिति (टाइम रिवर्सल) में वापस लाने के लिए ऑपरेशन किया। इन ऑपरेशनों की सफलता ने साबित कर दिया कि थर्मलाइजेशन और संतुलन की प्रक्रियाएं पर्यावरण के साथ बातचीत के बजाय क्वांटम कणों के बीच उलझाव के कारण थीं। इसलिए, प्रयोग से पता चला कि थर्मोडायनामिक्स और क्वांटम यांत्रिकी दोनों एक ही समय में सत्य हो सकते हैं।

उच्च गुणवत्ता वाला डेटा

के अनुसार पेपिज़न पिंकसेट्वेंटी विश्वविद्यालय के क्वांटम ऑप्टिक्स विशेषज्ञ, टीम की सबसे बड़ी चुनौती माप करने के लिए पर्याप्त उच्च गुणवत्ता वाला डेटा प्राप्त करना था। उनका कहना है कि फोटोनिक प्रोसेसर में कम नुकसान से मदद मिली, और अधिक फोटॉन और बड़े प्रोसेसर को उन्हें अधिक सिस्टम अनुकरण करने में सक्षम बनाना चाहिए। वह कहते हैं, श्रृंखला में सबसे कमजोर तत्व फोटॉन स्रोत प्रतीत होता है: "हमारे पास कम से कम 12 इनपुट चैनल हैं, लेकिन प्रयोग करने के लिए एक ही समय में केवल तीन फोटॉन हैं, इसलिए वहां सुधार की गुंजाइश है," वह बताते हैं भौतिकी की दुनिया.

निकोल युंगर हेल्परयूएस नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड्स एंड टेक्नोलॉजी (एनआईएसटी) में क्वांटम थर्मोडायनामिक्स के एक विशेषज्ञ, जो शोध में शामिल नहीं थे, कहते हैं कि प्रयोग महत्वपूर्ण है क्योंकि यह फोटॉन के पिछले काम तक फैला हुआ है जिसमें अल्ट्राकोल्ड परमाणु, फंसे हुए आयन और सुपरकंडक्टिंग क्वबिट शामिल थे। वह कहती हैं कि प्लेटफ़ॉर्म के इस बदलाव ने प्रयोगकर्ताओं को उस प्रक्रिया को पूर्ववत करने में सक्षम बनाया जो सिस्टम को आंतरिक रूप से संतुलित करने के लिए प्रेरित करती थी, जिससे यह निष्कर्ष निकालना संभव हो गया कि सिस्टम ने संतुलन बनाते समय अपनी क्वांटम प्रकृति को बरकरार रखा था। ऐसा करने के लिए "उत्कृष्ट मात्रा में नियंत्रण" की आवश्यकता होती है, वह कहती हैं कि इस नियंत्रण को प्राप्त करने की चुनौती ने पिछले कई वर्षों में अन्य प्लेटफार्मों का उपयोग करने वाले समूहों को काफी चिंता में डाल दिया है।

शोध में प्रकाशित किया गया है संचार प्रकृति.

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