Indefinite causal order in cavity quantum electrodynamics

क्वांटम दुनिया में, कारण और प्रभाव के नियम आश्चर्यजनक रूप से परिवर्तनशील हो सकते हैं। आमतौर पर, हम घटनाओं को एक सख्त क्रम में घटित होते हुए देखते हैं: पहले एक चीज़ होती है, फिर दूसरी। यदि आप एक स्विच चालू करते हैं, तो लाइट जल जाती है; यदि आप एक गेंद को धकेलते हैं, तो वह लुढ़कती है। यह रैखिक प्रवाह ही हमारे दैनिक जीवन का आधार है, और अधिकांश क्वांटम प्रयोग पारंपरिक रूप से इसी तरह डिज़ाइन किए जाते हैं। हालाँकि, 'अनिश्चित कारणत्मक क्रम' (indefinite causal order) नामक एक अवधारणा इस अंतर्ज्ञान को चुनौती देती है। यह एक ऐसी स्थिति की अनुमति देती है जहाँ दो घटनाएँ होती हैं, लेकिन कौन सी घटना पहले हुई, इसका कोई निश्चित उत्तर नहीं होता। एक एकल समयरेखा के बजाय, सिस्टम दोनों संभावित क्रमों के सुपरपोजिशन (superposition) में मौजूद रहता है। हालाँकि यह एक सैद्धांतिक जिज्ञासा लग सकता है, शोधकर्ताओं ने पाया है कि इस अस्पष्टता का लाभ उठाकर सूचना प्रसंस्करण के लिए शक्तिशाली नए उपकरण प्राप्त किए जा सकते हैं, जो संभावित रूप से उन समस्याओं को हल कर सकते हैं जो मानक, निश्चित-क्रम प्रणालियों के लिए असंभव हैं।

भौतिकविदों की एक टीम ने अब इस अवधारणा को प्रकाश की किरणों के क्षेत्र से निकालकर परमाणुओं और दर्पणों के क्षेत्र में पहुँचा दिया है। एक नए अध्ययन में, उन्होंने खोजा कि 'कैविटी क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स' सिस्टम के भीतर अनिश्चित कारणत्मक क्रम कैसे व्यवहार करता है। यह एक ऐसा सेटअप है जहाँ एक एकल परमाणु दो अलग-अलग, समान कक्षों (chambers) के भीतर फंसे प्रकाश के साथ परस्पर क्रिया करता है। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि क्या होगा यदि वे परमाणु को दोनों संभावित क्रमों के सुपरपोजिशन में इन दो कक्षों से गुजरने के लिए प्रेरित कर सकें: यानी पहले कक्ष A फिर B, और फिर B फिर A, एक ही समय में। ऐसा करके, उन्होंने पाया कि यह विचित्र क्रमिंग दोनों कक्षों के बीच के प्रकाश के बीच एक शक्तिशाली संबंध बना सकती है, भले ही प्रकाश तरंगें आपस में कभी सीधे न मिली हों।

इस प्रयोग में एक एकल परमाणु शामिल है, जो एक संदेशवाहक के रूप में कार्य करता है, और प्रकाश से भरे दो खाली कमरे हैं। अनिश्चित क्रम बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक नियंत्रण तंत्र, जो मूल रूप से एक 'क्वांटम स्विच' है, का उपयोग किया ताकि परमाणु के पथ का निर्णय लिया जा सके। यदि स्विच एक अवस्था पर सेट है, तो परमाणु पहले कक्ष से और फिर दूसरे कक्ष से होकर गुजरता है। यदि इसे दूसरी अवस्था पर सेट किया जाता है, तो क्रम उलट जाता है। सफलता तब मिलती है जब स्विच दोनों अवस्थाओं के सुपरपोजिशन में रखा जाता है। इस स्थिति में, परमाणु एक एकल पथ नहीं चुनता; यह दोनों अनुक्रमों से एक साथ गुजरता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि जब परमाणु इस दोहरे पथ वाली यात्रा से बाहर निकलता है, तो दो अलग-अलग कक्षों के भीतर प्रकाश के क्षेत्र गहराई से जुड़ जाते हैं। वे एक क्वांटम संबंध साझा करते हैं जिसे 'एंटैंगलमेंट' (entanglement) कहा जाता है, जिसका अर्थ है कि एक कक्ष में प्रकाश की स्थिति दूसरे कक्ष के प्रकाश के साथ तुरंत सह-संबंधित होती है, बावजूद इसके कि दोनों कक्षों में प्रकाश तरंगों ने कभी भी एक-दूसरे के साथ परस्पर क्रिया नहीं की।

यह प्रभाव विशेष रूप से उल्लेखनीय है क्योंकि इस एंटैंगलमेंट को उत्पन्न करने की क्षमता इस बात से स्वतंत्र है कि परमाणु उत्तेजित अवस्था (excited state) में था या ग्राउंड स्टेट (ground state) में, और यह भी कि परमाणु को प्रत्येक कैविटी से गुजरने में कितना समय लगा। हालाँकि, प्रकाश की विशिष्ट परिणामी अवस्था और उसे प्राप्त करने की संभावना परमाणु की प्रारंभिक स्थितियों और मापन परिणामों पर निर्भर करती है। इसके अलावा, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह प्रक्रिया विशिष्ट, अत्यधिक जटिल प्रकाश पैटर्न उत्पन्न कर सकती है। उदाहरण के लिए, यदि कक्ष शुरुआत में बिना किसी प्रकाश के हों, तो यह प्रक्रिया एक ऐसी स्थिति बना सकती है जहाँ एक फोटॉन पहले कक्ष में होने या दूसरे कक्ष में होने के सुपरपोजिशन में होता है, लेकिन दोनों में या दोनों में से किसी में भी नहीं। यह एक प्रकार की अवस्था है जिसे 'NOON स्टेट' कहा जाता है, जो अति-सटीक मापन के लिए मूल्यवान है। और भी अधिक उल्लेखनीय रूप से, टीम ने प्रदर्शित किया कि सिस्टम दो कक्षों के बीच एक फोटॉन को बदले बिना परमाणु की अवस्था को बदले बिना ही स्वैप (swap) कर सकता है। एक मानक सेटअप में जहाँ परमाणु एक निश्चित क्रम में यात्रा करता है, संदेशवाहक को बदले बिना ऐसा स्वैप करना असंभव है। अनिश्चित क्रम परमाणु को एक ऐसे सेतु के रूप में कार्य करने की अनुमति देता है जो अपनी यात्रा का कोई निशान छोड़े बिना प्रकाश को पुनर्व्यवस्थित करता है।

अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि यह अनिश्चित क्रम सिस्टम की प्राकृतिक लय को कैसे बाधित करता है। मानक क्वांटम भौतिकी में, जब एक परमाणु प्रकाश के साथ परस्पर क्रिया करता है, तो वह अक्सर ऊर्जा स्तरों में एक अनुमानित, तरंग जैसी दोलन (oscillation) प्रदर्शित करता है, जिसे 'राबी ऑसिलेशन' (Rabi oscillations) कहा जाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि जब अनिश्चित कारणत्मक क्रम पेश किया जाता है, तो यह सुचारू, साइनुसोइडल (sinusoidal) लय या तो पूरी तरह से गायब हो जाती है या अपना नियमित आकार खो देती है। सिस्टम अब निश्चित-क्रम परिदृश्यों में देखी जाने वाली अनुमानित स्पंदन के साथ व्यवहार नहीं करता है। इसके बजाय, परिणाम नियंत्रण स्विच के विशिष्ट मापन पर निर्भर करता है, जिससे प्रकाश की विभिन्न संभावित अंतिम अवस्थाएँ प्राप्त होती हैं।

इन निष्कर्षों के निहितार्थ पदार्थ और प्रकाश के बीच की परस्पर क्रिया को नियंत्रित करने के एक नए तरीके का सुझाव देते हैं। घटनाओं के क्रम में हेरफेर करके, वैज्ञानिक दूरस्थ प्रणालियों के बीच एंटैंगल्ड अवस्थाएँ बना सकते हैं जो अन्यथा अलग रहतीं। शोधकर्ता प्रस्तावित करते हैं कि इसे एक ट्रैप्ड परमाणु (trapped atom) का उपयोग करके भौतिक रूप से साकार किया जा सकता है जो एक गोलाकार पथ पर चलता है, जहाँ परमाणु के वेव पैकेट को विभाजित और पुनर्संयोजित किया जाता है, जिससे प्रभावी रूप से वह दो कैविटीज़ में क्रमों के सुपरपोजिशन में जा सकता है। हालाँकि वर्तमान कार्य प्रकाश-पदार्थ परस्पर क्रिया के स्थापित मॉडलों पर आधारित एक सैद्धांतिक जांच है, यह नई संभावनाओं के द्वार खोलता है। यह सुझाव देता है कि "कौन पहले हुआ" की अस्पष्टता को अपनाकर, हम क्वांटम प्रणालियों को नियंत्रित करने, एंटैंगलमेंट बनाने और उन कार्यों को करने के लिए नई क्षमताओं को अनलॉक कर सकते हैं, जो निश्चित कारण और प्रभाव की दुनिया में कड़ाई से वर्जित हैं।