Conditional Motional Squeezing of an Optomechanical Oscillator Approaching the Quantum Regime

भौतिकी की दुनिया में, बहुत सूक्ष्म स्तर के नियमों और हमारे रोजमर्रा की दुनिया को नियंत्रित करने वाले नियमों के बीच एक मौलिक विभाजन है। परमाणुओं और उप-परमाणु कणों के पैमाने पर, वस्तुएं अजीब तरह से व्यवहार करती हैं: वे एक साथ कई अवस्थाओं में मौजूद हो सकती हैं, और उनके गुण निश्चित मूल्यों के बजाय संभावनाओं द्वारा परिभाषित 'धुंधले' (fuzzy) होते हैं। यह क्वांटम यांत्रिकी का क्षेत्र है। इसके विपरीत, वे वस्तुएं जिन्हें हम देखते और छूते हैं—जैसे कुर्सियां, कारें और लोग—शास्त्रीय भौतिकी (classical physics) के पूर्वानुमानित नियमों का पालन करते हैं। एक सदी से अधिक समय से, वैज्ञानिक इस बात पर विचार कर रहे हैं कि इन दोनों दुनियाओं के बीच रेखा कहाँ खींची गई है। बड़ी वस्तुएं क्वांटम कणों की तरह व्यवहार क्यों नहीं करतीं? इसका उत्तर देने के लिए, शोधकर्ता बड़ी और बड़ी वस्तुओं को क्वांटम क्षेत्र में धकेलने का प्रयास कर रहे हैं, जिससे उन्हें बहुत सूक्ष्म स्तर के अजीब नियमों का पालन करने के लिए मजबूर किया जा सके। इस प्रयास का एक प्रमुख हिस्सा "स्क्वीजिंग" (squeezing) है, एक ऐसी तकनीक जो एक दिशा में वस्तु की गति की प्राकृतिक धुंधलेपन को कम करती है जबकि दूसरी दिशा में इसे बढ़ने देती है। यदि वैज्ञानिक किसी बड़ी वस्तु की गति को पर्याप्त रूप से 'स्क्वीज़' कर सकें, तो वे उसे एक विशेष क्वांटम अवस्था में तैयार कर सकते हैं, जो यह परीक्षण करने का एक नया तरीका प्रदान करता है कि गुरुत्वाकर्षण और क्वांटम यांत्रिकी कैसे परस्पर क्रिया कर सकते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक सूक्ष्म, फिर भी स्थूल (macroscopic), यांत्रिक वस्तु की गति को सफलतापूर्वक स्क्वीज़ करके इस लक्ष्य की ओर एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। विचाराधीन वस्तु एक कैंटिलीवर (cantilever) है, जो गैलियम आर्सेनाइड से बना एक सूक्ष्म डाइविंग बोर्ड है, जिसका वजन केवल 50 नैनोग्राम है। हालांकि यह द्रव्यमान मानवीय संवेदनाओं के लिए अविश्वसनीय रूप से हल्का है, लेकिन उन परमाणुओं की तुलना में यह बहुत विशाल है जिनका आमतौर पर क्वांटम प्रयोगों में अध्ययन किया जाता है। टीम इस कैंटिलीवर को एक "क्लासिकल स्क्वीज़्ड" (classically squeezed) अवस्था में तैयार करने में सफल रही, जो एक ऐसी स्थिति है जहाँ इसकी स्थिति (position) की अनिश्चितता को क्वांटम भौतिकी द्वारा अनुमत पूर्ण न्यूनतम स्तर, जिसे ज़ीरो-पॉइंट फ्लक्चुएशन (zero-point fluctuation) कहा जाता है, से थोड़ा ही ऊपर कम किया गया है। उन्होंने इस मौलिक सीमा के 1.07 गुना की न्यूनतम अनिश्चितता प्राप्त की। यह परिणाम समान विधियों का उपयोग करने वाले पिछले प्रयासों की तुलना में तीन आदेशों (orders of magnitude) का बेहतर है, जो सटीकता में एक बड़ी छलांग का प्रतिनिधित्व करता है।

यह प्रयोग प्रकाश और गति के बीच एक चतुर अंतर्संबंध पर आधारित था। शोधकर्ताओं ने उस सूक्ष्म कैंटिलीवर को एक वैक्यूम चैंबर के भीतर रखा और उस पर एक लेजर चमकाया। जैसे ही प्रकाश कैंटिलीवर से टकराकर वापस आया, वह वस्तु की स्थिति के बारे में जानकारी अपने साथ ले गया। इस प्रकाश को बहुत सटीकता से मापकर, टीम कैंटिलीवर की गति को वास्तविक समय (real-time) में ट्रैक कर सकी। हालांकि, केवल वस्तु को देखना ही उसे स्क्वीज़ करने के लिए पर्याप्त नहीं है; मापने की क्रिया वस्तु पर दबाव भी डालती है, जिससे शोर का एक झटका पैदा होता है जिसे "बैक-एक्शन" (back-action) कहा जाता है। इससे निपटने के लिए, शोधकर्ताओं ने "कंडीशनल स्टेट प्रिपरेशन" (conditional state preparation) नामक तकनीक का उपयोग किया। उन्होंने माप के डेटा को एक कंप्यूटर फ़िल्टर में डाला जो कैंटिलीवर के पिछले व्यवहार के आधार पर उसकी स्थिति की भविष्यवाणी करता था। केवल कच्चे माप (raw measurement) के माध्यम से वस्तु की अवस्था को समझने के बजाय, इस भविष्यवाणी का उपयोग करके, वे प्रभावी रूप से वस्तु की गति के एक पहलू से शोर को "स्क्वीज़" कर सके।

उनकी सफलता का एक महत्वपूर्ण हिस्सा कैंटिलीवर के कंपन की गति के सापेक्ष उनके मापन की गति थी। स्क्वीजिंग के काम करने के लिए, सूचना एकत्र करने की दर इतनी तेज़ होनी चाहिए कि वह वस्तु के प्राकृतिक दोलनों (oscillations) के साथ तालमेल बिठा सके। इस प्रयोग में, मापन दर कैंटिलीवर की अनुनाद आवृत्ति (resonance frequency) का लगभग 54% थी, एक ऐसी स्थिति जिसने उस सामान्य संतुलन को तोड़ने की अनुमति दी जहाँ ऊर्जा स्थिति और संवेग (momentum) के बीच समान रूप से साझा की जाती है। इसके बजाय, वे स्थिति के मापन में अनिश्चितता को काफी कम करने में सफल रहे, जबकि संवेग की अनिश्चितता बढ़ गई, जो कि स्क्वीज़्ड अवस्थाओं की एक विशेषता है। अंतिम परिणाम ने दिखाया कि स्थिति की अनिश्चितता ज़ीरो-पॉइंट स्तर के केवल 1.07 गुना तक कम हो गई, जबकि संवेग की अनिश्चितता बढ़कर लगभग आठ गुना हो गई, जो स्पष्ट रूप से प्रदर्शित करता है कि ऊर्जा अब समान रूप से साझा नहीं की जा रही थी।

इस प्रभावशाली उपलब्धि के बावजूद, शोधकर्ता सावधानीपूर्वक यह नोट करते हैं कि उन्होंने अभी तक पूरी तरह से "क्वांटम स्क्वीज़्ड" (quantum squeezed) क्षेत्र तक नहीं पहुँचा है। उनकी अवस्था को "क्लासिकल स्क्वीज़्ड" के रूप में वर्णित किया गया है क्योंकि, हालांकि यह समान ऊर्जा वितरण के शास्त्रीय नियम का उल्लंघन करती है, लेकिन यह अभी तक एक पूर्ण क्वांटम यांत्रिक अवस्था की पुष्टि करने के लिए मौलिक क्वांटम शोर स्तर से नीचे नहीं उतरी है। प्रयोग विभिन्न स्रोतों के शोर से सीमित था, जिसमें इलेक्ट्रॉनिक हस्तक्षेप और लेजर को पूरी तरह से स्थिर रखने की कठिनाई शामिल थी। टीम ने पाया कि गैर-स्थिर शोर (non-stationary noise), जो समय के साथ अप्रत्याशित रूप से बदलता है, उन्हें एक निश्चित क्वांटम अवस्था बनाने के लिए वास्तविक समय में डेटा को फ़िल्टर करने से रोक रहा था। हालांकि, उनका कार्य यह सिद्ध करता है कि यह प्रोटोकॉल व्यवहार्य है। यह दिखाते हुए कि एक मापन-आधारित दृष्टिकोण एक स्थूल वस्तु को इतनी प्रभावी ढंग से स्क्वीज़ कर सकता है, उन्होंने भविष्य के प्रयोगों के लिए मार्ग प्रशस्त किया है। शोर को कम करने और मापन दक्षता बढ़ाने के लिए और सुधारों के साथ, टीम का मानना ​​है कि जल्द ही और भी बड़ी वस्तुओं, जिनमें संभावित रूप से गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टरों में उपयोग किए जाने वाले विशाल दर्पण भी शामिल हैं, को वास्तविक क्वांटम स्क्वीज़्ड अवस्थाओं में तैयार करना संभव होगा। यह प्रगति वैज्ञानिकों को यह समझने के करीब लाती है कि क्वांटम दुनिया कैसे उस शास्त्रीय दुनिया में परिवर्तित होती है जिसे हम रोज़ाना अनुभव करते हैं।