Witnessing genuine multipartite entanglement in phase space with controlled Gaussian unitaries
यह शोधपत्र नियंत्रित गाऊसी यूनिटरीज (Gaussian unitaries) और फेज-स्पेस मापन का लाभ उठाकर निरंतर-चर (continuous-variable) प्रणालियों में वास्तविक बहु-पक्षीय एंटैंगलमेंट (multipartite entanglement) को प्रमाणित करने के लिए पांच सुदृढ़ प्रयोगात्मक योजनाएं प्रस्तावित करता है, जो पूर्ण टोमोग्राफी का एक संसाधन-कुशल विकल्प प्रदान करता है जो सर्किट QED और ट्रैप्ड आयन जैसे विविध प्लेटफार्मों के लिए लागू है।
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कल्पना कीजिए कि आप प्रकाश और ध्वनि से बनी एक विशाल, अदृश्य पहेली को सुलझाने की कोशिश कर रहे हैं। क्वांटम भौतिकी की दुनिया में, इस पहेली को "एंटैंगलमेंट" (entanglement) कहा जाता है। जब कण आपस में एंटैंगल्ड होते हैं, तो वे एक ही टीम बन जाते हैं, जो कितनी भी दूर होने पर भी तुरंत अपने रहस्य साझा करते हैं। आमतौर पर, वैज्ञानिक इस टीम वर्क को जोड़ों या छोटे समूहों में देखते हैं। लेकिन असली जादू तब होता है जब समूह के सभी सदस्य एक साथ जुड़े होते हैं। इसे "जेन्युइन मल्टीपार्टाइट एंटैंगलमेंट" (GME) कहा जाता है। यह परम क्वांटम सुपर-टीम है, और यह सुपर-फास्ट क्वांटम कंप्यूटरों और अनहैकेबल संचार नेटवर्क के लिए आवश्यक गुप्त सूत्र है।
हालाँकि, इस सुपर-टीम को खोजना कठिन है। कई आधुनिक प्रयोगशालाओं में, "खिलाड़ी" वे सरल कण नहीं हैं जिन पर आप सीधे लेजर केंद्रित कर सकें। इसके बजाय, वे ऊर्जा की तरंगें (जैसे क्रिस्टल में ध्वनि या बॉक्स में प्रकाश) हैं जो सीधे मापने के लिए बहुत बड़ी हैं। उन्हें देखने के लिए, वैज्ञानिकों को एक छोटे, दो-स्तरीय सहायक (एक "क्यूबिट") का उपयोग एक अनुवादक के रूप में करना पड़ता है। क्यूबिट तरंग को फुसफुसाता है, और फिर क्यूबिट बताता है कि उसने क्या सुना। समस्या यह है कि सुपर-टीम को पहचानने के पुराने अधिकांश नियमों के लिए तरंगों को एक बहुत ही विशिष्ट, कठिन तरीके से मापने की आवश्यकता थी जिसे ये अनुवादक आसानी से नहीं कर सकते। यह एक सिम्फनी (symphony) का न्याय करने की कोशिश करने जैसा है जैसे कि केवल ड्रमर को सुनकर, जबकि पुराने नियमों ने मांग किया था कि आप हर एक वायलिन के तार को व्यक्तिगत रूप से सुनें।
यह शोध पत्र इन अनुवादकों के साथ पूरी तरह से काम करने वाले नियमों का एक नया सेट आविष्कार करने के बारे में है। लेखकों ने, जो सिंगापुर, चीन और स्विट्जरलैंड के भौतिकविदों की एक टीम है, यह पता लगाया कि कैसे इन सरल, बाइनरी "हाँ या ना" वाले सवालों का उपयोग करके "सुपर-टीम" एंटैंगलमेंट को पहचाना जा सकता है जिन्हें ये अनुवादक आसानी से पूछ सकते हैं। उन्होंने दिखाया कि "नियंत्रित" (controlled) ऑपरेशन्स के साथ चालाकी भरे प्रयोगों का उपयोग करके—जैसे कि तरंगों को धीरे से धकेलना या उनके फेज़ (phase) को बदलना—वे यह साबित कर सकते हैं कि कणों का एक समूह वास्तव में एक के रूप में मिलकर काम कर रहा है, बिना पूरे जटिल पहेली का मानचित्र बनाए।
यह पत्र पांच अलग-अलग "डिटेक्टिव स्कीम्स" (detective schemes) प्रस्तावित करता है ताकि इस एंटैंगलमेंट को रंगे हाथों पकड़ा जा सके। इन स्कीम्स को क्वांटम टीम से पूछताछ करने के विभिन्न तरीकों के रूप में समझें। कुछ स्कीम्स "पैरिटी चेक" (parity check) का उपयोग करती हैं, जो टीम से पूछने जैसा है, "क्या आप सभी एक ही कमरे में हैं या आप अलग-थलग हैं?" अन्य "डिस्प्लेसमेंट्स" (displacements) का उपयोग करती हैं, जो टीम को धकेलने और यह देखने जैसा है कि क्या वे सब एक साथ लड़खड़ाते हैं। लेखकों ने गणितीय रूप से सिद्ध किया कि यदि टीम का "विग्नर फंक्शन" (Wigner function - एक प्रकार का क्वांटम मानचित्र जो ऋणात्मक संख्याएं भी दिखा सकता है, जो अजीब क्वांटम व्यवहार का संकेत है) में पर्याप्त "ऋणात्मकता" या तीक्ष्णता है, तो टीम वास्तव में एंटैंगल्ड है।
उन्होंने इन नए नियमों का परीक्षण प्रसिद्ध क्वांटम पात्रों पर किया, जैसे कि "W स्टेट" (जहाँ ऊर्जा की एक इकाई कई लोगों के बीच साझा की जाती है) और "कैट स्टेट्स" (cat states - जहाँ एक सिस्टम दो विपरीत स्थानों पर एक साथ होता है, जैसे कि एक बिल्ली जो जीवित और मृत दोनों है)। परिणाम उत्साहजनक हैं: उनकी विधियाँ उन स्थितियों में भी सुपर-टीमों को पहचान सकती हैं जब सिस्टम थोड़ा शोर भरा या अपूर्ण हो, जो वास्तव में वास्तविक प्रयोगशालाओं में होता है। वास्तव में, उनकी एक स्कीम अविश्वसनीय रूप से कुशल है। जबकि पुराने तरीके से जाँच करने के लिए असंभव संख्या में मापों की आवश्यकता होगी (जैसे-जैसे टीम बड़ी होती जाती है, यह घातीय रूप से बढ़ती जाती है), उनकी नई विधि को पुष्टि करने के लिए केवल एक सहायक मोड पर एक एकल माप की आवश्यकता हो सकती है।
यह शोध पत्र केवल सिद्धांत तक ही सीमित नहीं है; यह सिमुलेशन करता है कि ये विधियाँ वास्तविक दुनिया की अव्यवस्था, जैसे ऊर्जा की हानि या धुंधले मापन के विरुद्ध कैसे टिकती हैं। उन्होंने पाया कि जबकि कुछ विधियाँ छोटे समूहों के लिए बेहतर हैं और अन्य बड़े समूहों के लिए, सभी विधियाँ पुराने तरीकों की तुलना में बहुत अधिक व्यावहारिक हैं। उन्होंने यह भी दिखाया कि आपको क्वांटम दुनिया के अनंत मानचित्र को मापने की आवश्यकता नहीं है; बस एक छोटा, सीमित हिस्सा अपराधी को पकड़ने के लिए पर्याप्त है। यह कार्य क्वांटम मशीनों के कई विभिन्न प्रकारों के लिए द्वार खोलता है—चाहे वे ट्रैप्ड आयन का उपयोग करने वाले हों या सुपरकंडक्टिंग सर्किट का उपयोग करने वाले—अंततः यह साबित करने के लिए कि उन्होंने अगली पीढ़ी की क्वांटम तकनीक के लिए आवश्यक शक्तिशाली, बहु-कण एंटैंगलमेंट बनाया है।
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