Study of entanglement via a multi-agent dynamical quantum game

आधुनिक भौतिकी के विशाल परिदृश्य में, दो विचार अपनी रोजमर्रा की सहज बुद्धि को उलट देने की क्षमता के लिए विशिष्ट स्थान रखते हैं: एंटैंगलमेंट (entanglement) और नॉनलोकैलिटी (nonlocality)। एंटैंगलमेंट एक अजीब संबंध का वर्णन करता है जहाँ दो कण इतने गहराई से जुड़ जाते हैं कि एक को मापने से तुरंत दूसरे की स्थिति का पता चल जाता है, चाहे वे एक-दूसरे से कितनी भी दूर क्यों न हों। नॉनलोकैलिटी इसे एक कदम आगे ले जाती है, यह सुझाव देते हुए कि ये कण उन तरीकों से एक-दूसरे को प्रभावित करते हैं जिन्हें प्रकाश की गति से यात्रा करने वाले किसी भी संकेत द्वारा समझाया नहीं जा सकता है। दशकों तक, वैज्ञानिकों ने उप-परमाणु कणों के क्षेत्र में इन घटनाओं का अध्ययन किया है, अक्सर इनका उपयोग वास्तविकता की नींव का परीक्षण करने के लिए किया है। हाल ही में, शोधकर्ताओं ने यह पूछना शुरू कर दिया है कि क्या ये क्वांटम विचित्रताएं केवल एक बात सिद्ध करने से कहीं अधिक कर सकती हैं; क्या वे वास्तव में जीवित चीजों के व्यवहार को बदल सकती हैं? यह प्रश्न क्वांटम यांत्रिकी की सूक्ष्म दुनिया और पारिस्थितिकी की स्थूल दुनिया के बीच के अंतर को पाटता है, यह पूछता है कि क्या बहुत छोटी चीजों के नियम जानवरों, पौधों या सूक्ष्मजीवों की आबादी के अस्तित्व के नियमों को फिर से लिख सकते हैं।

शोधकर्ताओं के एक दल ने अब इस संभावना को तलाशने के लिए एक सैद्धांतिक मॉडल का निर्माण करके इस पर काम किया है जहाँ अस्तित्व के संघर्ष को एक क्वांटम खेल के नियमों द्वारा शासित किया जाता है। एक जंगल में वास्तविक जानवरों का अध्ययन करने के बजाय, उन्होंने दो प्रकार की डिजिटल संस्थाओं: कोशिकाओं (cells) और वायरसों (viruses) को शामिल करते हुए एक डिजिटल सिमुलेशन बनाया। इस मॉडल में, वायरस शिकारी (predators) के रूप में कार्य करते हैं, और कोशिकाएं शिकार (prey) के रूप में। शोधकर्ताओं ने एक ऐसी स्थिति डिजाइन की जहाँ हर बार जब एक वायरस एक कोशिका के संपर्क में आता है, तो वे परिणाम तय करने के लिए एक सूक्ष्म प्रतियोगिता में शामिल होते हैं। एक मानक, शास्त्रीय (classical) संस्करण में, परिणाम सरल, पूर्व-निर्धारित विकल्पों पर निर्भर करेगा, ठीक वैसे ही जैसे सिक्का उछालना। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने एक मोड़ पेश किया: उन्होंने वायरसों और कोशिकाओं को मिलने से पहले एक क्वांटम संबंध, या एंटैंगलमेंट, साझा करने की अनुमति दी। इस संबंध का अर्थ था कि उनके विकल्प स्वतंत्र नहीं थे बल्कि इस तरह से जुड़े हुए थे जो शास्त्रीय तर्क को चुनौती देते हैं, जिससे ऐसे सहसंबंध (correlations) संभव हुए जो रोजमर्रा की दुनिया में संभव किसी भी चीज़ से अधिक मजबूत हैं।

शोधकर्ताओं ने पाया कि इस क्वांटम संबंध की ताकत का आबादी के दीर्घकालिक अस्तित्व पर नाटकीय और कभी-कभी आश्चर्यजनक प्रभाव पड़ता है। उन्होंने एक घटना की खोज की जिसे वे "उत्तरजीविता की मोनोगेमी" (monogamy of survival) कहते हैं। क्वांटम दुनिया में, एक सख्त नियम है कि एक कण एक समय में दो अलग-अलग साथियों के साथ पूरी तरह से एंटैंगल्ड नहीं हो सकता है; यदि वह एक के साथ मजबूती से जुड़ा है, तो उसे दूसरे के साथ कमजोर रूप से जुड़ा होना चाहिए। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह नियम सीधे तौरुओं की नियति में परिवर्तित हो जाता है। जब वायरस कोशिकाओं के साथ पूरी तरह से समन्वय करने के लिए अपने क्वांटम संबंध का उपयोग करने में सक्षम थे, तो उन्हें एक महत्वपूर्ण लाभ प्राप्त हुआ। हालाँकि, "मोनोगेमी" के नियम के कारण, यदि वायरसों के एक समूह ने इस मजबूत क्वांटम समन्वय का उपयोग किया, तो उसी कोशिकाओं के लिए प्रतिस्पर्धा करने वाले वायरसों के दूसरे समूह को कमजोर समन्वय की स्थिति में धकेल दिया गया। अपने सिमुलेशन में, यह असंतुलन घातक था। वे वायरस जो कोशिकाओं के साथ एक मजबूत क्वांटм लिंक बनाए रखने में विफल रहे, विलुप्त हो गए, जबकि कोशिकाएं और अच्छी तरह से जुड़े हुए वायरस जीवित रहे।

इसे समझने के लिए, वायरसों और कोशिकाओं की कल्पना उन खिलाड़ियों के रूप में करें जिन्हें एक-दूसरे की चालों का अनुमान लगाना है। एक शास्त्रीय दुनिया में, वे केवल अपनी जानकारी के आधार पर अनुमान लगा सकते हैं। क्वांटम दुनिया में, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि वायरस एक छिपा हुआ लिंक साझा कर सकते थे जिसने उन्हें एक-दूसरे की चालों का अनुमान लगाने की सफलता दर प्रदान की जो शास्त्रीय दुनिया में गणितीय रूप से असंभव है। यह उच्च सफलता दर वायरसों के लिए उच्च "पेऑफ" (payoff) में बदल गई, जिसका अर्थ है कि वे अधिक प्रभावी ढंग से प्रजनन कर सकते थे। शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए हजारों सिमुलेशन चलाए कि समय के साथ ये आबादी कैसे बदलती है। उन्होंने पाया कि जब वायरसों ने अधिकतम संभव क्वांटम लाभ का उपयोग किया, तो प्रणाली अस्थिर हो गई, जिससे समरूप (homogeneous) वायरस प्रजाति का विलुप्ति हुई जबकि एक विशिष्ट वायरस प्रजाति जीवित रही। इसके विपरीत, जब वायरसों ने अपने क्वांटम संबंध को कई अलग-अलग समूहों के बीच समान रूप से साझा किया, तो प्रणाली स्थिर रही और सभी प्रजातियां तभी सह-अस्तित्व में रहीं जब प्रजातियों की संख्या कम थी; हालाँकि, यदि बहुत अधिक वायरस प्रजातियां एक ही क्वांटम लिंक को समान रूप से साझा करने की कोशिश कर रही थीं, तो प्रणाली ध्वस्त हो गई, जिससे सभी विलुप्त हो गए।

अध्ययन ने लोटका-वोल्टेरा समीकरणों (Lotka-Volterra equations) के रूप में ज्ञात एक ढांचे का उपयोग करके इन गतिकी के गणितीय आधारों को भी देखा, जो पारिस्थितिकी में शिकारी-शिकार संबंधों को मॉडल करने के लिए मानक उपकरण हैं। मानक अंतःक्रिया मापदंडों (interaction parameters) को क्वांटम यांत्रिकी से प्राप्त मानों से बदलकर, शोधकर्ता सटीक रूप से भविष्यवाणी कर सके कि कब एक आबादी बढ़ेगी या घटेगी। उन्होंने पाया कि पूरे पारिस्थितिकी तंत्र की स्थिरता वायरस प्रजातियों की संख्या और उनके क्वांटम सहसंबंधों की ताकत के बीच एक नाजुक संतुलन पर निर्भर करती है। यदि बहुत अधिक वायरस प्रजातियां एक ही क्वांटम लिंक साझा करने की कोशिश कर रही थीं, तो प्रणाली ध्वस्त हो जाएगी, जिससे सभी विलुप्त हो जाएंगे। लेकिन यदि प्रजातियों की संख्या कम थी, या यदि क्वांटम कनेक्शन एक विशिष्ट तरीके से वितरित थे, तो आबादी जीवित रह सकती थी और फल-फूल भी सकती थी।

यह कार्य सुझाव देता है कि क्वांटम यांत्रिकी के अजीब नियम केवल अमूर्त जिज्ञासाएँ नहीं हैं, बल्कि सिद्धांत रूप में संपूर्ण जैविक समुदायों के उत्थान और पतन को निर्धारित कर सकते हैं। शोधकर्ताओं ने यह दावा नहीं किया है कि उन्होंने क्वांटम वायरसों का एक वास्तविक पारिस्थितिकी तंत्र बनाया है, लेकिन उनके सिमुलेशन एक स्पष्ट 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' प्रदान करते हैं। उन्होंने प्रदर्शित किया कि यदि प्रकृति प्रजातियों के बीच की अंतःक्रियाओं में क्वांटम एंटैंगलमेंट का उपयोग करती है, तो विकास (evolution) का परिणाम शास्त्रीय दुनिया में जो हम देखते हैं उससे मौलिक रूप से भिन्न होगा। यह अध्ययन एक नए प्रकार के प्रतिस्पर्धा को उजागर करता है जहाँ क्वांटम सहसंबंधों का लाभ उठाने की क्षमता जीवन और मृत्यु का मामला बन जाती है। यह भविष्य के उन अन्वेषणों के द्वार खोलता है कि कैसे क्वांटम प्रभाव वास्तविक दुनिया की जैविक प्रक्रियाओं को प्रभावित कर सकते हैं, बीमारियों के प्रसार से लेकर जटिल पारिस्थितिक तंत्रों की स्थिरता तक, यह सुझाव देते हुए कि क्वांटम दुनिया जीवन के ताने-बाने में पहले से कल्पना की तुलना में अधिक निकटता से बुनी हुई हो सकती है।