Testing time order and Leggett-Garg inequalities with noninvasive measurements on public quantum computers
यह शोधपत्र वास्तविक गैर-आक्रामक मापों (genuine noninvasive measurements) का उपयोग करते हुए, नए भिन्नात्मक गेट्स (fractional gates) के माध्यम से कमजोर मापन प्रोटोकॉल को संवेदनशील बेंचमार्क के रूप में स्थापित करके, सार्वजनिक क्वांटम कंप्यूटरों पर लेगेट-गार्ग असमानताओं (Leggett-Garg inequalities) और समय-क्रम गैर-अपरिवर्तनीयता (time-order noninvariance) के पहले उल्लंघन को प्रदर्शित करता है, जो घोषित डिवाइस त्रुटि दरों से परे सैद्धांतिक भविष्यवाणियों से सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण विचलन को प्रकट करता है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
यहाँ इस शोध पत्र का सरल भाषा और रोज़मर्रा के उदाहरणों के साथ विवरण दिया गया है।
मुख्य विचार: बिना छुए झाँकना
कल्पना कीजिए कि आपके पास एक बहुत ही नाजुक, घूमता हुआ लट्टू (spinning top) है। शास्त्रीय दुनिया (classical world) में, यदि आप जानना चाहते हैं कि वह किस दिशा में घूम रहा है, तो आप बस उसे देख सकते हैं। आपकी आँखें उसके घूमने के तरीके को वास्तव में नहीं बदलती हैं।
लेकिन क्वांटम दुनिया में (परमाणुओं जैसे सूक्ष्म कणों की दुनिया), किसी चीज़ को देखना एक हिंसक कार्य है। यदि आप किसी क्वांटम कण की स्थिति देखने के लिए उसे "देखने" की कोशिश करते हैं, तो आप आमतौर पर उसे गिरा देते हैं या उसकी दिशा बदल देते हैं। इसे प्रोजेक्टिव मेजरमेंट (projective measurement) कहा जाता है। यह कॉफी के कप का तापमान जाँचने के लिए उसमें एक विशाल, ठंडा थर्मामीटर डालने जैसा है; मापने की क्रिया ही कॉफी को बदल देती है।
लंबे समय से, वैज्ञानिक एक विशिष्ट नियम का परीक्षण करना चाहते थे जिसे लेगेट-गार्ग इनइक्वालिटी (Leggett-Garg Inequality) कहा जाता है। यह नियम पूछता है: क्या एक क्वांटम वस्तु की एक निश्चित अवस्था होती है, भले ही हम उसे न देख रहे हों? (यह "यथार्थवाद" या "realism" की अवधारणा है)। इसे परखने के लिए, आपको वस्तु के पथ को बदले बिना विभिन्न समयों पर उस पर झाँकने की आवश्यकता होती है। लेकिन क्योंकि सामान्य "झाँकना" वस्तु को बदल देता है, इसलिए यह परीक्षण सफाई से करना असंभव था।
समाधान: "भूतिया" स्पर्श (The "Ghostly" Touch)
यह शोध पत्र एक ऐसी टीम का वर्णन करता है जिसने अंततः सार्वजनिक क्वांटम कंप्यूटरों (जैसे कि IBM और IonQ से ऑनलाइन किराए पर लिए जा सकने वाले कंप्यूटर) पर यह परीक्षण किया। उन्होंने वीक मेजरमेंट (Weak Measurement) नामक तकनीक का उपयोग किया।
वीक मेजरमेंट को एक भूतिया स्पर्श (ghostly touch) की तरह समझें।
- सामान्य मेजरमेंट: एक ज़ोरदार मुक्का जो लट्टू को गिरा देता है।
- वीक मेजरमेंट: एक हल्की हवा जो लट्टू को बस थोड़ा सा धकेलती है। यह इतनी हल्की है कि लट्टू लगभग उसी तरह घूमता रहता है, लेकिन वह हवा अपने साथ स्पिन (घूर्णन) के बारे में थोड़ी सी जानकारी लेकर आती है।
दिक्कत क्या है? एक अकेली हवा बहुत धुंधली होती है जिससे आपको बहुत कुछ पता नहीं चल पाता। आपको हजारों बार उस हवा को महसूस करना होगा और परिणामों का औसत निकालना होगा ताकि एक स्पष्ट तस्वीर मिल सके। टीम ने बिल्कुल यही किया, उन्होंने "भूतिया" पैटर्न को देखने के लिए भारी मात्रा में डेटा एकत्र किया।
प्रयोग: समय यात्रा परीक्षण (The Time Travel Test)
शोधकर्ताओं ने एक क्वांटम कण और दो "भूतिया" सेंसरों (मान लीजिए सेंसर A और सेंसर B) के साथ तीन चरणों वाला एक खेल तैयार किया, जिसके बाद एक अंतिम जाँच (सेंसर C) की गई।
- सेटअप: उन्होंने एक क्वांटम कण को एक विशिष्ट अवस्था में तैयार किया।
- परीक्षण: उन्होंने सेंसर A, फिर सेंसर B, फिर सेंसर C के साथ कण का मापन किया।
- ट्विस्ट: उन्होंने प्रयोग को उल्टे क्रम में भी चलाया: सेंसर B, फिर सेंसर A, फिर सेंसर C।
हमारी रोज़मर्रा की दुनिया में, यदि आप केवल धीरे से अवलोकन कर रहे हैं, तो घटनाओं का क्रम मायने नहीं रखना चाहिए। यदि आप सुबह और दोपहर में मौसम देखते हैं, तो इससे कोई फर्क नहीं पड़ना चाहिए कि आप कहें "सुबह फिर दोपहर" या "दोपहर फिर सुबह"—डेटा समान होना चाहिए। इसे टाइम-ऑर्डर इनवेरिएंस (Time-Order Invariance) कहा जाता है।
उन्होंने क्या पाया
परिणाम चौंकाने वाले थे और इन्होंने पुष्टि की कि क्वांटम दुनिया बहुत अजीब है:
- नियमों को तोड़ना (लेगेट-गार्ग उल्लंघन): डेटा ने दिखाया कि देखने से पहले कण की कोई निश्चित अवस्था नहीं थी। उनके "भूतिया" मापन ने खुलासा किया कि कण की वास्तविकता मापने की क्रिया से ही निर्मित हुई थी। उन्होंने अपेक्षित त्रुटि दर (error rate) से बहुत अधिक (5 से 10 गुना अधिक) लेगेट-गार्ग इनइक्वालिटी का उल्लंघन किया।
- क्रम मायने रखता है (टाइम-ऑर्डर उल्लंघन): जब उन्होंने सेंसरों का क्रम बदला (A के बाद B बनाम B के बाद A), तो परिणाम पूरी तरह से अलग थे। क्वांटम दुनिया में, "हल्के स्पर्श" का क्रम परिणाम को बदल देता है। यह ऐसा है जैसे दोपहर में मौसम की जाँच करने से पहले सुबह की जाँच करने से वास्तव में सुबह का मौसम बदल गया हो।
हार्डवेयर: सार्वजनिक कंप्यूटर
टीम ने कोई विशेष लैब मशीन नहीं बनाई। उन्होंने इंटरनेट पर उपलब्ध सार्वजनिक क्वांटम कंप्यूटरों (IBM और IonQ) का उपयोग किया।
- उन्होंने 5 अलग-अलग उपकरणों में 3-क्यूबिट "सर्किट" के 10 अलग-अलग समूहों पर परीक्षण किया।
- उन्होंने इन कोमल, 'वीक मेजरमेंट्स' को बनाने के लिए नए, विशेष "फ्रैक्शनल गेट्स" (जो क्वांटम ऑपरेशन्स के लिए डिमर स्विच की तरह हैं) का उपयोग किया।
- उन्होंने पाया कि हालांकि कंप्यूटर शोर वाले थे (जैसे बहुत अधिक बैकग्राउंड शोर वाला कमरा), लेकिन सिग्नल इतना मजबूत था कि वे क्वांटम विचित्रता को स्पष्ट रूप से देख सके।
निष्कर्ष
शोध पत्र का दावा है कि उन्होंने सफलतापूर्वक सार्वजनिक क्वांटम कंप्यूटरों का उपयोग करके दो चीजें सिद्ध की हैं:
- मापन किए जाने तक क्वांटम वस्तुओं की कोई निश्चित वास्तविकता नहीं होती (मैक्रो-रियलिज्म का उल्लंघन)।
- जिस क्रम में आप एक क्वांटम सिस्टम को धीरे से मापते हैं, वह मायने रखता है (टाइम-ऑर्डर इनवेरिएंस का उल्लंघन)।
उन्होंने यह सब सिस्टम को "फ्रीज" किए बिना या मजबूत मापन से नष्ट किए बिना किया, जिससे यह सिद्ध होता है कि ये सार्वजनिक मशीनें अब वास्तविकता कैसे काम करती है, इस पर सबसे गहरे, सबसे दार्शनिक प्रश्नों का परीक्षण करने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली हैं।
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