Extensive entanglement between coupled Tomonaga-Luttinger liquids in and out of equilibrium
यह शोध पत्र सैद्धांतिक रूप से प्रदर्शित करता है कि युग्मित टोमोनागा-लुटिंगर लिक्विड्स के बीच व्यापक क्वांटम एंटैंगलमेंट (quantum entanglement), प्रयोगात्मक रूप से सुलभ परिमित तापमान और गैर-संतुलन अवस्थाओं में बना रहता है, जो 1D बोस गैस प्रयोगों में इसके पता लगाने के लिए एक व्यवहार्य रणनीति प्रदान करता है।
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ब्रह्मांड की कल्पना एक विशाल, अदृश्य डांस फ्लोर के रूप में करें। शास्त्रीय भौतिकी की दुनिया में—बेसबॉल, कारों और कॉफी कपों की दुनिया—नर्तक स्वतंत्र रूप से चलते हैं। यदि आप एक नर्तक को देखते हैं, तो आप उनके पड़ोसी के बारे में तब तक कुछ नहीं जानते जब तक कि वे आपस में बात न करें या टकरा न जाएं। लेकिन क्वांटम दुनिया में, नियम पूरी तरह से बदल जाते हैं। यहाँ, नर्तक "एंटैंगल्ड" (entangled) हो सकते हैं, जो एक रहस्यमयी संबंध है जहाँ दो कण एक ही अस्तित्व साझा करते हैं, चाहे वे एक-दूसरे से कितनी भी दूर क्यों न हों। यदि आप एक की स्थिति की जाँच करते हैं, तो आप तुरंत दूसरे की स्थिति जान जाते हैं। यह केवल एक पार्टी ट्रिक नहीं है; यह क्वांटम और शास्त्रीय दुनिया के बीच का मौलिक अंतर है और भविष्य के सुपर-कंप्यूटरों के लिए गुप्त सूत्र है।
वैज्ञानिकों के लिए बड़ी चुनौती यह है कि जबकि हम कणों के छोटे समूहों में इस नृत्य को देख सकते हैं, लेकिन जब आपके पास एक विशाल भीड़ होती है, तो इसे पहचानना अविश्वसनीय रूप से कठिन हो जाता है। आमतौर पर, गर्मी एक अराजक 'मोश पिट' (mosh pit) की तरह कार्य करती है, जो नर्तकों को अलग कर देती है और नाजुक एंटैंगलमेंट को नष्ट कर देती है। अधिकांश प्रयोगों ने एक सिस्टम को ब्रेड के लोफ की तरह आधा काटकर यह देखने पर ध्यान केंद्रित किया है कि क्या दोनों हिस्से आपस में जुड़े हुए हैं। लेकिन क्या होगा यदि संबंध स्लाइस के बारे में नहीं, बल्कि दो पूरे लोफ के साथ-साथ नाचने के बारे में हो? यह वह प्रश्न है जिसे सिंगापुर के नानयांग टेक्नोलॉजिकल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं द्वारा किए गए एक नए अध्ययन में उठाया गया है। वे जानना चाहते थे कि क्या अल्ट्रा-कोल्ड परमाणुओं की दो समानांतर धाराएं, जिन्हें टोमोनागा-लुटिंगर लिक्विड्स (Tomonaga-Luttinger liquids) के रूप में जाना जाता है, एंटैंगल्ड रह सकती हैं, भले ही चीजें थोड़ी गर्म हो जाएं, और क्या हम वास्तव में उन्हें काम करते हुए पकड़ सकते हैं।
यह शोध पत्र परमाणु नृत्य को स्थापित करने के दो विशिष्ट तरीकों पर केंद्रित है: पहला, परमाणुओं की दो धाराओं को एक-दूसरे में टनल (या लीक) होने देने से, और दूसरा, एक एकल धारा को सुसंगत रूप से विभाजित करके, जैसे परमाणुओं के लिए एक बीम स्प्लिटर। शोधकर्ताओं ने "लॉगैरिद्मिक नेगेटिविटी" (logarithmic negativity) नामक एक माप की गणना करने के लिए उन्नत गणित का उपयोग किया, जो एंटैंगलमेंट के डिटेक्टर के रूप में कार्य करता है। उन्होंने पाया कि एंटैंगलमेंट जीवित रहता है, लेकिन केवल तभी जब तापमान एक बहुत ही विशिष्ट सीमा से नीचे रखा जाए। टनलिंग परिदृश्य के लिए, यह "एंटैंगलमेंट ज़ोन" 1 और 4 नैनोकेल्विन (nK) के बीच के तापमान पर मौजूद है। हालांकि यह अविश्वसनीय रूप से ठंडा है, लेकिन यह वर्तमान प्रयोगों की पहुंच के भीतर है। इससे भी अधिक रोमांचक बात यह है कि "विभाजन" (splitting) वाला परिदृश्य 30 और 60 nK के बीच थोड़े गर्म तापमान पर एंटैंगलमेंट की अनुमति देता है, जो लैब में प्राप्त करना बहुत आसान है।
अध्ययन प्रकट करता है कि यह एंटैंगलमेंट केवल एक छोटी, क्षणिक चमक नहीं है; यह "एक्सटेंसिव" (extensive) है, जिसका अर्थ है कि एंटैंगलमेंट की मात्रा गैस की लंबाई के साथ रैखिक रूप से बढ़ती है। यदि आप अपनी परमाणु धारा की लंबाई को दोगुना करते हैं, तो आप एंटैंगलमेंट को दोगुना कर देते हैं। यह एक बड़ी बात है क्योंकि यह सुझाव देता है कि बड़े पैमाने पर क्वांटम कनेक्शन संभव हैं, न कि केवल एक सिस्टम की जमी हुई अवस्था में, बल्कि उन अस्त-व्यस्त, गर्म, वास्तविक दुनिया की स्थितियों में भी जिन्हें हम वास्तव में बना सकते हैं। शोधकर्ताओं ने "म्युचुअल इंफॉर्मेशन" (mutual information) की भी जांच की, जो सभी संबंधों, दोनों क्वांटम और शास्त्रीय, को मापता है। उन्होंने पाया कि जबकि तापमान बढ़ने के साथ क्वांटम एंटैंगलमेंट फीका पड़ जाता है, कुल संबंध (म्युचुअल इंफॉर्मेशन) आश्चर्यजनक रूप से स्थिर रहता है। यह सुझाव देता है कि परमाणुओं को कैसे विभाजित किया गया था, इसकी प्रारंभिक "स्मृति" सिस्टम की गतिशीलता में संरक्षित रहती है, जो इसे बहुत जल्दी एक सामान्य, अरुचिकर अवस्था में बैठने से रोकती है।
संक्षेप में, यह शोध पत्र सुझाव देता है कि खंडित हिस्सों के बजाय समानांतर परमाणु गैसों को देखकर, और चतुर विभाजन तकनीकों का उपयोग करके, हम आज के तापमान पर उपलब्ध व्यापक क्वांटम एंटैंगलमेंट का पता लगा सकते हैं। यह दावा नहीं करता कि इसने अभी तक एक क्वांटम कंप्यूटर बनाया है, बल्कि यह प्रयोगात्मक वैज्ञानिकों के लिए एक स्पष्ट रोडमैप और "हाँ, यह संभव है" का संकेत प्रदान करता है। लेखक तर्क देते हैं कि उनके द्वारा गणना की गई तापमान सीमाएं वर्तमान और निकट भविष्य के प्रयोगों के लिए सुलभ हैं, जो एक ऐसी प्रणाली में इस क्वांटम जादू को देखने के लिए एक ठोस रणनीति प्रदान करती है जो गर्म और गैर-संतुलन (out of equilibrium) की स्थिति में है।
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