Non-local mass superpositions and optical clock interferometry in atomic ensemble quantum networks

गुरुत्वाकर्षण और क्वांटम यांत्रिकी आधुनिक भौतिकी के दो महान स्तंभ हैं, फिर भी वे शायद ही कभी एक ही भाषा बोलते हैं। गुरुत्वाकर्षण, जो आइंस्टीन के सामान्य सापेक्षता के सिद्धांत द्वारा वर्णित है, ग्रहों की गति और प्रकाश के झुकने को नियंत्रित करता है, और स्थान (space) तथा समय को एक चिकने, निरंतर ताने-बाने के रूप में मानता है। दूसरी ओर, क्वांटम यांत्रिकी सबसे छोटे कणों के व्यवहार पर शासन करती है, जहाँ वस्तुएं एक साथ कई अवस्थाओं में मौजूद हो सकती हैं और जहाँ किसी चीज़ को मापने की क्रिया उसकी वास्तविकता को बदल देती है। दशकों से, वैज्ञानिक एक ऐसी जगह खोजने के लिए संघर्ष कर रहे हैं जहाँ ये दोनों दुनियाएँ उस तरह से टकरा सकें जिसे प्रयोगशाला में देखा जा सके। चुनौती यह है कि प्रकृति के अन्य बलों की तुलना में गुरुत्वाकर्षण अविश्वसनीय रूप से कमजोर है। किसी क्वांटलीय वस्तु पर इसके सूक्ष्म प्रभावों को देखने के लिए, शोधकर्ताओं को आमतौर पर एक विशाल कण बनाने, उसे दो अलग-अलग स्थानों में विभाजित करने और लंबे समय तक दोनों हिस्सों के बीच होने वाली अंतःक्रिया को देखने की आवश्यकता होती है। यह एक एकल परमाणु के साथ करना पहले से ही इंजीनियरिंग का एक चमत्कार है; इसे इतना बड़ा बनाने के लिए जो गुरुत्वाकर्षण के खिंचाव को स्पष्ट रूप से महसूस कर सके, वर्तमान तकनीक के साथ लगभग असंभव है।

भौतिकविदों की एक टीम ने अब इस अंतर को पाटने का एक नया तरीका प्रस्तावित किया है, न कि एक एकल परमाणु को भारी बनाकर या उसे दूर ले जाकर, बल्कि कई परमाणुओं के एक नेटवर्क का उपयोग करके जो मिलकर काम करते हैं। एक परमाणु को दो भागों में विभाजित करने के बजाय, वे परमाणुओं के समूहों, जिन्हें 'एन्सेम्बल्स' (ensembles) कहा जाता है, का उपयोग करने का सुझाव देते हैं जो विभिन्न स्थानों पर स्थित हैं और प्रकाश द्वारा जुड़े हुए हैं। इन परमाणुओं की आंतरिक ऊर्जा अवस्थाओं को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, शोधकर्ता एक ऐसी स्थिति बना सकते हैं जहाँ परमाणुओं का समूह अलग-अलग द्रव्यमानों (masses) की सुपरपोजिशन (superposition) में होता है, जो पूरे नेटवर्क में फैला हुआ है। चूंकि द्रव्यमान और ऊर्जा समान हैं, इसलिए परमाणुओं की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन उनके वजन में परिवर्तन की तरह कार्य करता है। यह वैज्ञानिकों को एक भारी वस्तु के एक साथ दो स्थानों पर होने के प्रभाव का अनुकरण करने की अनुमति देता है, बिना किसी एकल परमाणु को लंबी दूरी तक भौतिक रूप से हिलाए।

इस प्रस्ताव का मूल एक क्वांटम सेंसर नेटवर्क है, जहाँ प्रत्येक नोड (node) में परमाणुओं का एक बादल होता है जिसे लेजर से नियंत्रित किया जा सकता है। शोधकर्ता दो दूरस्थ नोड्स के बीच एक साझा लिंक बनाते हैं, जिसे 'एंटैंगलमेंट' (entanglement) कहा जाता है, जहाँ एक समूह के परमाणुओं की अवस्था दूसरे से तुरंत जुड़ जाती है। एक बार यह लिंक स्थापित हो जाने के बाद, वे प्रत्येक नोड पर लेजर स्पंदों (pulses) का एक विशिष्ट क्रम लागू करते हैं। ये स्पंद परमाणुओं को हिलाते नहीं हैं; इसके बजाय, वे सामूहिक रूप से परमाणुओं की आंतरिक ऊर्जा को बदलते हैं। यह एक "द्रव्यमान सुपरपोजिशन" (mass superposition) बनाता है, एक ऐसी अवस्था जहाँ पूरा नेटवर्क एक निश्चित मात्रा में द्रव्यमान एक स्थान पर होने और दूसरे स्थान पर भिन्न मात्रा में द्रव्यमान होने के संयोजन में मौजूद रहता है। चूंकि परमाणु अपने स्थान के आधार पर विभिन्न गुरुत्वीय विभवों (gravitational potentials) में होते हैं, इसलिए इस सुपरपोजिशन के दो भाग थोड़े अलग दर से चलते हैं, जिसे 'गुरुत्वीय समय विस्तार' (gravitational time dilation) नामक घटना कहा जाता है।

जब नेटवर्क को गुरुत्वाकर्षण के तहत विकसित होने के लिए छोड़ा जाता है, तो ये अलग-अलग चलने की दरें क्वांटम अवस्थाओं को तालमेल से बाहर कर देती हैं, जिससे एक 'फेज शिफ्ट' (phase shift) उत्पन्न होता है। यह शिफ्ट वह संकेत है जिसे शोधकर्ता खोज रहे हैं। इसे पढ़ने के लिए, उन्हें परमाणुओं को वापस एक साथ लाने या पूरे नेटवर्क में जटिल माप करने की आवश्यकता नहीं है। इसके बजाय, वे बस प्रत्येक स्थान पर परमाणмुओं को अलग-अलग मापते हैं और परिणामों की तुलना करते हैं। शोधपत्र यह प्रदर्शित करता है कि यह स्थानीय माप गुरुत्वाकर्षण के कारण होने वाले हस्तक्षेप पैटर्न (interference pattern) को प्रकट करने के लिए पर्याप्त है, जो प्रभावी रूप से एक विशाल इंटरफेरोमीटर की तरह कार्य करता है जहाँ "भुजाएं" नेटवर्क के विभिन्न नोड्स हैं। यह दृष्टिकोण क्षेत्र में एक बड़ी बाधा को हल करता है: यह वैज्ञानिकों को परमाणुओं की बड़ी संख्या और लंबी दूरियों का उपयोग करके गुरुत्वाकर्षण और क्वांटम यांत्रिकी के मिलन बिंदु की जांच करने की अनुमति देता है, जो एक एकल कण के साथ करना असंभव होता।

शोधकर्ता अपने तरीके को तीन विशिष्ट परिदृश्यों के माध्यम से स्पष्ट करते हैं जो गुरुत्वाकर्षण-क्वांटम इंटरफेस के विभिन्न पहलुओं का परीक्षण करते हैं। पहला, वे दिखाते हैं कि कैसे नेटवर्क एक क्लासिक प्रयोग की नकल कर सकता है जिसमें एक एकल परमाणु घड़ी शामिल है, जहाँ घड़ी की आंतरिक ऊर्जा अवस्थाओं को यह परीक्षण करने के लिए विभाजित किया जाता है कि गुरुत्वाकर्षण समय को कैसे प्रभावित करता है। दूसरा, वे एक प्रसिद्ध प्रयोग का एनालॉग प्रदर्शित करते हैं जिसने दिखाया था कि गुरुत्वाकर्षण एक कण की क्वांटम तरंग को प्रभावित करता है, लेकिन यहाँ प्रभाव एकल न्यूट्रॉन की गति के बजाय परमाणु बादल की सामूहिक ऊर्जा द्वारा उत्पन्न होता है। तीसरा, और संभवतः सबसे महत्वपूर्ण, वे 'गुरुत्वीय डिकोहेरेंस' (gravitational decoherence) नामक एक घटना का अन्वेषण करते हैं। यह एक सैद्धांतिक भविष्यवाणी है कि एक गुरुत्वीय क्षेत्र में विभिन्न द्रव्यमानों की सुपरपोजिशन में होने की क्रिया से क्वांटम अवस्था अपनी सुसंगतता (coherence) खो सकती है, या समय के साथ "धुंधली" हो सकती है। ऊर्जा अनिश्चितता के विभिन्न स्तरों के साथ अवस्थाएं बनाकर, टीम दिखाती है कि उनका नेटवर्क यह सटीक रूप से कैसे माप सकता है कि यह डिकोहेरेंस कितनी तेजी से होता है, जो कि एक सीधा परीक्षण प्रदान करता है कि क्या गुरुत्वाकर्षण स्वयं क्वांटम प्रणालियों को तोड़ देता है।

शोधपत्र मौजूदा तकनीक का उपयोग करके ऐसे सिस्टम बनाने के लिए एक यथार्थवादी मार्ग रेखांकित करता है, विशेष रूप से ट्रैप्ड आयन (trapped ions) या तटस्थ परमाणुओं (neutral atoms) पर ध्यान केंद्रित करता है। लेखक गणना करते हैं कि वर्तमान क्षमताओं के साथ, सैकड़ों मीटर की दूरी पर आयनों को एंटैंगल करने और उन्हें लेजर से नियंत्रित करने के साथ, इन प्रभावों को देखना संभव है। उनका अनुमान है कि बीस आयनों के एक नेटवर्क के लिए जो पचास मीटर की दूरी पर स्थित हैं, संकेत इतना मजबूत होगा कि इसे कुछ सौ सेकंड के मापन समय के भीतर पता लगाया जा सके। हालांकि यह प्रयोग अभी तक किया नहीं गया है, फिर भी प्रस्ताव स्थापित भौतिकी पर आधारित है और उन उपकरणों का उपयोग करता है जो उन्नत प्रयोगशालाओं में पहले से ही उपलब्ध हैं। यह कार्य सुझाव देता है कि गुरुत्वाकर्षण और क्वांटम यांत्रिकी के बीच संबंध को समझने के लिए अगला कदम किसी नए प्रकार के कण त्वरक (particle accelerator) के निर्माण या 'थ्योरी ऑफ एवरीथिंग' की प्रतीक्षा करने की आवश्यकता नहीं है, बल्कि ज्ञात परमाणुओं को एक चतुर नए तरीके से व्यवस्थित करने की आवश्यकता है ताकि गुरुत्वाकर्षण स्वयं को व्यक्त कर सके।