Measuring a Quantum Measure Exceeding Unity
यह शोध पत्र एक ऑप्टिकल प्रयोग की रिपोर्ट करता है जो एक विशिष्ट फोटोनिक घटना के लिए लगभग 1.172 का मान अनुमानित करने हेतु एक एंसिल-आधारित फ़िल्टरिंग योजना का उपयोग करके इकाई से अधिक के क्वांटम माप को परिचालन रूप से प्रदर्शित करता है, जिससे क्वांटम मेजर थ्योरी की गैर-शास्त्रीय प्रकृति के लिए प्रयोगात्मक साक्ष्य प्रदान होता है।
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क्वांटम भौतिकी की सूक्ष्म दुनिया में, कण किसी राजमार्ग पर चलने वाली कारों की तरह एकल, निश्चित पथों पर यात्रा नहीं करते हैं। इसके बजाय, वे एक संभाव्यता (potentiality) की स्थिति में मौजूद होते हैं, जहाँ एक एकल कण प्रभावी रूप से एक साथ हर संभव मार्ग ले सकता है जब तक कि उसे देखा न जाए। यह अजीब व्यवहार, जिसे 'व्यतिकरण' (interference) कहा जाता है, इन विभिन्न संभावनाओं को आपस में जुड़ने की अनुमति देता है, जिससे वे कभी एक-दूसरे को सुदृढ़ करते हैं और कभी एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं। दशकों से, भौतिकविदों ने किसी विशिष्ट स्थान पर कण के मिलने की संभावना की गणना करने के लिए नियमों के एक मानक सेट पर भरोसा किया है। ये नियम यह भविष्यवाणी करने के लिए पूरी तरह से काम करते हैं कि जब कोई डिटेक्टर क्लिक करता है तो क्या होता है, लेकिन वे यह वर्णन करने में संघर्ष करते हैं कि प्रयोग की शुरुआत और डिटेक्शन के अंतिम क्षण के बीच वास्तव में क्या होता है। मानक दृष्टिकोण अक्सर स्रोत और डिटेक्टर के बीच के स्थान को एक 'ब्लैक बॉक्स' की तरह मानता है, जो केवल इनपुट और आउटपुट पर ध्यान केंद्रित करता है और बीच की जटिल यात्रा को अनदेखा करता है। यह हमारी वास्तविकता की समझ में एक अंतर छोड़ देता है, जिससे यह प्रश्न उठता है कि क्या हम उन नाजुक क्वांटम प्रभावों को नष्ट किए बिना, जो यात्रा को अद्वितीय बनाते हैं, वास्तव में उस मध्यवर्ती समय में क्या हुआ था, इसे कभी जान सकते हैं।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस अंतर को भरने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है, जिसमें उन्होंने एक ऐसी मात्रा को मापा है जो सामान्य प्रायिकता के नियमों को चुनौती देती है। एक नए ऑप्टिकल प्रयोग में, उन्होंने सफलतापूर्वक उन संभावित यात्राओं के एक विशिष्ट सेट के "भार" (weight) को निर्धारित किया, जो एक फोटॉन द्वारा लिए जा सकते थे, और यह मान एक से अधिक निकला। रोजमर्रा की दुनिया में, प्रायिकताएं शून्य और एक के बीच की संख्याएं होती हैं, जो कुछ होने की संभावना का प्रतिनिधित्व करती हैं; एक का मान पूर्ण निश्चितता है, और इससे अधिक निश्चित कुछ भी नहीं हो सकता। हालाँकि, क्वांटम क्षेत्र में, जब आप एक-दूसरे के साथ व्यतिकरण करने वाले विभिन्न पथों के योगदान को जोड़ते हैं, तो परिणामी माप इस सीमा से अधिक हो सकता है। शोधकर्ताओं ने एक विशेष उपकरण बनाया, जो एक परिष्कृत फिल्टर की तरह कार्य करता है, ताकि इन क्वांटम पथों के एक विशिष्ट संग्रह को अलग किया जा सके। प्रकाश को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके और फोटॉन के एक माध्यमिक गुण, जिसे ध्रुवीकरण (polarization) कहा जाता है, को एक सहायक के रूप में उपयोग करके, वे इस क्वांटम माप के मान का अनुमान लगाने में सक्षम हुए। उनके मापों ने लगभग 1.17 का मान दिखाया, जो एक ऐसा परिणाम है जो शास्त्रीय प्रायिकता के लिए गणितीय रूप से असंभव है लेकिन एक ऐसे सिद्धांत की भविष्यवाणियों के साथ पूरी तरह से सुसंगत है जो कण के संपूर्ण इतिहास को एक एकल, एकीकृत इकाई के रूप में मानता है।
इस प्रयोग को एक मौलिक पहेली को हल करने के लिए डिज़ाइन किया गया था: हम वेव फंक्शन को ढहाए बिना और व्यतिकरण को मिटाए बिना, एक क्वांटम प्रक्रिया के बीच में क्या हुआ, इसके बारे में कैसे बात कर सकते हैं? इसे करने के लिए, टीम ने एक ऑप्टिकल सेटअप बनाया जो एक "इवेंट फिल्टर" (घटना फिल्टर) के रूप में कार्य करता है। कल्पना कीजिए कि एक फोटॉन दर्पणों और बीम स्प्लिटर की एक श्रृंखला के माध्यम से यात्रा कर रहा है, जो ऐसे उपकरण हैं जो या तो प्रकाश को परावर्तित कर सकते हैं या उसे गुजरने दे सकते हैं। प्रत्येक जंक्शन पर, फोटॉन के पास एक विकल्प होता है, जिससे संभावित इतिहासों का एक शाखाओं वाला पेड़ बन जाता है। शोधकर्ता केवल एक विशिष्ट पथ में रुचि नहीं रखते थे, बल्कि पथों के एक विशिष्ट समूह में रुचि रखते थे जिसमें कुछ ऐसे पथ शामिल थे जो सामान्य रूप से एक-दूसरे को रद्द कर देते और कुछ ऐसे जो एक-दूसरे को सुदृढ़ करते। वे जानना चाहते थे कि क्या यह विशिष्ट इतिहासों का समूह, एक संपूर्ण इकाई के रूप में, पता लगाया जा सकता है और मापा जा सकता है।
इसे प्राप्त करने के लिए, उन्होंने फोटॉन के ध्रुवीकरण का उपयोग करते हुए एक चतुर तकनीक अपनाई, जो प्रकाश तरंगों के ओरिएंटेशन को वर्णित करता है। उन्होंने इस ध्रुवीकरण को एक अलग सहायक, या "एनसिला" (ancilla) के रूप में माना, जो फोटॉन के पथ के साथ उलझा (entangled) हुआ हो सकता है। प्रकाश को वेव प्लेट्स और पोलराइजिंग बीम स्प्लिटर की एक श्रृंखला से गुजारकर, उन्होंने प्रभावी रूप से विभिन्न पथों को टैग किया। फिल्टर को केवल उन फोटॉनों को गुजरने देने के लिए डिज़ाइन किया गया था जिन्होंने उनके चुने हुए समूह के विशिष्ट इतिहास का पालन किया था, जबकि अन्य को रोक दिया गया था। महत्वपूर्ण रूप से, उपकरण ने केवल एक एकल पथ की जाँच नहीं की; इसने पथों के एक जटिल संयोजन की जाँच की जिसमें व्यतिकरण शामिल था। जब प्रकाश अंतिम डिटेक्टर तक पहुँचा, तो शोधकर्ताओं ने बीम की तीव्रता को मापा। क्योंकि फिल्टर को इस प्रकार कैलिब्रेट किया गया था कि वह इस तीव्रता को सीधे घटना के क्वांटम माप से जोड़ सके, इसलिए डिटेक्टर पर रीडिंग ने उन्हें पूरे इतिहास के समूह के लिए माप के मान की गणना करने की अनुमति दी।
परिणाम चौंकाने वाले थे। शोधकर्ताओं ने पाया कि उनके चयनित इवेंट के लिए क्वांटम माप 1.172 था, जिसमें त्रुटि की एक छोटी सी गुंजाइश थी। यह संख्या एक से काफी अधिक है, जो किसी भी शास्त्रीय प्रायिकता के लिए परम अधिकतम है। एक शास्त्रीय दुनिया में, यदि आप पूछते हैं "क्या इस घटना के होने की संभावना है?" तो उत्तर कभी भी 100 प्रतिशत से अधिक नहीं हो सकता। लेकिन इस क्वांटम प्रयोग में, घटना का "भार", जो विभिन्न पथों के बीच रचनात्मक व्यतिकरण को ध्यान में रखता है, अधिकतम निश्चितता से लगभग 17 प्रतिशत अधिक था। यह खोज पुष्टि करती है कि क्वांटम माप एक वास्तविक, परिचालन योग्य मात्रा है जिसे प्रयोगशाला में एक्सेस किया जा सकता है, भले ही यह एक मानक प्रायिकता की तरह व्यवहार नहीं करता है। यह क्वांटम मेजर थ्योरी नामक एक सैद्धांतिक ढांचे को मान्य करता है, जो सुझाव देता है कि ब्रह्मांड का सर्वोत्तम वर्णन समय के साथ विकसित होने वाली अवस्थाओं के अनुक्रम द्वारा नहीं, बल्कि संपूर्ण इतिहासों के एक संग्रह द्वारा किया जाता है, जिनमें से प्रत्येक का भार उनके आपस में व्यतिकरण करने के तरीके के कारण एक से अधिक हो सकता है।
प्रयोग ने एक सरल, एकल पथ को मापने और एक जटिल, गैर-श्रृंखला (non-serial) घटना को मापने के बीच के अंतर को भी रेखांकित किया। यदि शोधकर्ताओं ने सेटअप के बीच में एक डिटेक्टर रखकर एक एकल पथ का पता लगाने का प्रयास किया होता, तो वे व्यतिकरण को नष्ट कर देते और सिस्टम को एक सरल प्रायिकता में बदल देते जो कभी एक से अधिक नहीं हो सकती थी। एक "इवेंट फिल्टर" का उपयोग करके, वे इस जाल से बच गए। फिल्टर ने उन्हें हस्तक्षेप प्रभावों को नष्ट किए बिना इतिहास के संपूर्ण सेट के बारे में जानकारी एकत्र करने की अनुमति दी जिसने इस माप को एक से अधिक बनाया। उपकरण ने फोटॉन के पथ को उसके ध्रुवीकरण के साथ दो बार जोड़ने (coupling) के माध्यम से काम किया, एक ऐसी तकनीक जिसने माप की दक्षता में सुधार किया और एक अधिक मजबूत परीक्षण की अनुमति दी। तथ्य यह है कि मापा गया मान सैद्धांतिक भविष्यवाणी (1.25 या 5/4) के बहुत करीब था, यह पुख्ता प्रमाण प्रदान करता है कि फिल्टर बिल्कुल इच्छित रूप से कार्य कर रहा है और क्वांटम माप इन मध्यवर्ती घटनाओं का वर्णन करने का एक वैध तरीका है।
यह कार्य केवल एक गणितीय जिज्ञासा की पुष्टि नहीं करता है; यह भौतिक वास्तविकता की प्रकृति के बारे में सोचने का एक नया तरीका प्रदान करता है। यह सुझाव देता है कि एक क्वांटम प्रक्रिया के "बीच के" क्षण खाली या अनिर्धारित नहीं हैं, बल्कि वे संरचना से समृद्ध हैं जिसे जांचा और मापा जा सकता है। जबकि मानक क्वांटम यांत्रिकी का दृष्टिकोण अक्सर तैयारी और डिटेक्शन के बीच की अवधि को एक रहस्य के रूप में छोड़ देता है, यह प्रयोग दिखाता है कि हम समय के विस्तार वाले जटिल आयोजनों के लिए एक ठोस, मापने योग्य मान निर्धारित कर सकते हैं। शोधकर्ता कहते हैं कि उनका वर्तमान सेटअप माप के अंत में फोटॉन को नष्ट कर देता है, लेकिन भविष्य के संस्करणों को फोटॉन को बिना बाधित किए गुजरने देने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है, जो क्वांटम कंप्यूटिंग और सूचना प्रसंस्करण में नए अनुप्रयोगों के द्वार खोल सकता है। फिलहाल, यह प्रयोग एक स्पष्ट प्रदर्शन के रूप में खड़ा है कि क्वांटम दुनिया उन नियमों द्वारा संचालित होती है जो हमारी रोजमर्रा की सहज बुद्धि की तुलना में अधिक विचित्र और अधिक विस्तृत हैं, जहाँ संभावनाओं का योग वास्तव में संपूर्ण से अधिक हो सकता है।
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