Quantumness of hybrid systems under quantum noise
यह शोध पत्र विभिन्न शोर वाले वातावरणों के तहत एक अक्षीय रूप से सममित हाइब्रिड क्यूबिट-क्युट्रिट प्रणाली में क्वांटम सहसंबंधों की मजबूती की जांच करता है, जो यह प्रकट करता है कि जबकि तापीय उतार-चढ़ाव और चरण शोर (फेज नॉइज़) निरंतर क्षरण और एंटैंगलमेंट सडन डेथ का कारण बनते हैं, असममित शोर विन्यास लचीलेपन को बढ़ाते हैं और क्वांटम डिस्कॉर्ड को एंटैंगलमेंट थ्रेशोल्ड के परे बने रहने की अनुमति देते हैं।
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कल्पना कीजिए एक ऐसी दुनिया की जहाँ सूचना केवल शून्य और एक (zeros and ones) की एक कतार नहीं है, बल्कि संभावनाओं का एक चमकता हुआ बादल है जो एक ही समय में दो जगहों पर हो सकता है। यह क्वांटम मैकेनिक्स का क्षेत्र है, जो हमारे ब्रह्मांड के सबसे सूक्ष्म निर्माण खंडों (building blocks) के लिए नियम पुस्तिका है। दशकों से, वैज्ञानिक इस विचित्रता का उपयोग करके सुपर-फास्ट कंप्यूटर और अनहैक करने योग्य संचार प्रणालियाँ बनाने की कोशिश कर रहे हैं। इसका असली रहस्य क्या है? "क्वांटम कोरिलेशन" (quantum correlations)। इन्हें इन अदृश्य, अत्यंत मजबूत रबर बैंड की तरह समझें जो कणों को आपस में बांधते हैं। जब आपके पास इस तरह से जुड़े हुए दो कण होते हैं, तो एक के साथ जो होता है वह दूसरे को तुरंत प्रभावित करता है, चाहे वे एक-दूसरे से कितनी भी दूर क्यों न हों। इसे "एंटैंगलमेंट" (entanglement) कहा जाता है, और यह इस पूरे खेल का मुख्य आकर्षण है।
लेकिन इसमें एक पेच है। ये जादुई रबर बैंड अविश्वसनीय रूप से नाजुक होते हैं। जिस क्षण एक क्वांटम सिस्टम वास्तविक दुनिया की गर्मी और अव्यवस्था से टकराता है—जैसे कि हवा के अणु या ऊष्मा—यह बिखरने लगता है। इस प्रक्रिया को "डिकोहेरेंस" (decoherence) कहा जाता है, और यह ऐसा है जैसे कोई किसी साबुन के बुलबुले को सुरक्षित रखने की कोशिश कर रहा हो जबकि कोई उस पर गर्म हवा फूंक रहा हो। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि गर्मी और शोर इन क्वांटम संबंधों को खत्म कर देते हैं, लेकिन वे उन्हें लंबे समय तक बनाए रखने का तरीका खोज रहे थे। उन्होंने यह भी खोजा कि क्वांटम संबंधों में केवल एंटैंगलमेंट से कहीं अधिक कुछ है। यहाँ तक कि जब वे सुपर-स्ट्रॉन्ग रबर बैंड टूट भी जाते हैं, तब भी "क्वांटम डिस्कॉर्ड" (quantum discord) नामक एक हल्का, अधिक सूक्ष्म प्रकार का संबंध कभी-कभी जीवित रह सकता है, जैसे कि चिल्लाने की आवाज के थम जाने के बाद भी एक फुसफुसाहट बनी रहती है। इन संबंधों को सुरक्षित रखने का तरीका समझना ही कल की क्वांटम तकनीकों के निर्माण की कुंजी है।
इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक विशिष्ट, थोड़े असामान्य सेटअप के साथ प्रयोग करने का निर्णय लिया: एक "हाइब्रिड" सिस्टम जो दो अलग-अलग प्रकार के क्वांटम कणों से बना है। एक "क्यूबिट" (qubit) है, जो एक साधारण सिक्के की तरह है जो या तो चित (heads) या पट (tails) हो सकता है (या दोनों एक साथ)। दूसरा "क्यूट्रिट" (qutrit) है, जो एक तीन-तरफा पासे की तरह है जो एक, दो, या तीन (या उनका कोई भी मिश्रण) हो सकता है। एक साधारण सिक्के को एक अधिक जटिल पासे के साथ जोड़कर, उन्होंने एक ऐसा सिस्टम बनाया जिसे समझाना कठिन है लेकिन जो संभावित रूप से अधिक शक्तिशाली है। वे यह देखना चाहते थे कि जब यह जोड़ी एक शोर भरे, गर्म वातावरण में होती है, तो यह कैसा व्यवहार करती है, विशेष रूप से दो प्रकार के "शोर" (noise) पर ध्यान केंद्रित करते हुए: एक "डीफेज़िंग" (dephasing) चैनल (जो कणों की लय के समय को अस्त-व्यस्त कर देता है) और एक "फेज़-फ्लिप" (phase-flip) चैनल (जो उनके अवस्था के चिह्न को बदल देता है, जैसे सकारात्मक आवेश को नकारात्मक में बदलना)।
शोधकर्ताओं ने इस सिस्टम का विभिन्न स्थितियों के तहत अनुकरण (simulation) किया, जो मूल रूप से यह पूछ रहा था: "जब हम गर्मी बढ़ाते हैं या शोर को तेज करते हैं, तो कनेक्शन कितनी तेजी से टूटता है?" उन्होंने पाया कि, जैसा कि अपेक्षित था, तापमान बढ़ाने से क्वांटम रबर बैंड तेजी से टूटते हैं। यह जितना गर्म होता है, कणों के बीच हलचल उतनी ही अधिक होती है, और उनका विशेष संबंध उतनी ही जल्दी फीका पड़ता है। उन्होंने यह भी खोजा कि "फेज़-फ्लिप" शोर, "डीफेज़िंग" शोर की तुलना में बहुत अधिक आक्रामक हमलावर है; यह कनेक्शनों को बहुत तेजी से नष्ट कर देता है, जिससे एंटैंगलमेंट कम तापमान पर ही पूरी तरह से गायब हो जाता है।
हालाँकि, सबसे रोमांचक खोज तब हुई जब उन्होंने देखा कि शोर कैसे वितरित किया गया था। कल्पना कीजिए कि आपके पास दो दोस्त हाथ पकड़े हुए हैं, और एक तूफान आने लगता है। यदि तूफान दोनों को समान रूप से प्रभावित करता है, तो वे शायद जल्दी हाथ छोड़ देंगे। लेकिन क्या होगा यदि तूफान केवल एक पर blows हो, जबकि दूसरा शरण स्थल में सुरक्षित हो? शोधकर्ताओं ने पाया कि जब शोर "एसिमेट्रिक" (asymmetric) था—यानी केवल क्यूबिट पर लग रहा था जबकि क्यूट्रिट अपेक्षाकृत शांत था—तो क्वांटम कनेक्शन बहुत लंबे समय तक टिके रहे। शांत, सुरक्षित कण एक जीवन रक्षक नाव (life raft) की तरह काम करता है, अपने शोर वाले साथी के संघर्ष के दौरान भी कनेक्शन को जीवित रखने में मदद करता है।
शायद सबसे आश्चर्यजनक मोड़ "क्वांटम डिस्कॉर्ड" में मिला। जबकि मजबूत एंटैंगलमेंट (सुपर-स्ट्रॉन्ग रबर बैंड) एक निश्चित तापमान पर टूटकर पूरी तरह गायब हो जाता है, कमजोर क्वांटम डिस्कॉर्ड (फुसफुसाहट) केवल फीका नहीं पड़ा; वास्तव में, परम शून्य (absolute zero) से तापमान बढ़ने पर यह एक संक्षिप्त क्षण के लिए थोड़ा मजबूत भी हुआ, इससे पहले कि अंततः यह समाप्त हो जाए। यह ऐसा है जैसे गर्मी ने कणों को बस इतनी ऊर्जा दी कि वे पकड़ बनाए रखने के लिए एक बेहतर स्थिति में हिल सकें, इससे पहले कि गर्मी बहुत अधिक हो जाए।
संक्षेप में, यह शोध पत्र सुझाव देता है कि हालांकि हम ब्रह्मांड को शोर भरा और गर्म होने से नहीं रोक सकते, लेकिन हम सिस्टम के साथ थोड़ा तालमेल बिठा सकते हैं। अपने क्वांटम उपकरणों को इस तरह डिजाइन करके कि उनके कुछ हिस्से शोर से बेहतर तरीके से सुरक्षित रहें, हम इन बहुमूल्य क्वांटम कनेक्शनों के जीवन को बढ़ा सकते हैं। इसका मतलब यह नहीं है कि हमने क्वांटम कंप्यूटर बनाने की समस्या को हल कर लिया है, लेकिन यह एक चतुर रणनीति प्रदान करता है: यदि आप तूफान को नहीं रोक सकते, तो सुनिश्चित करें कि आपके जहाज का एक हिस्सा सूखा रहे।
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