Gravitational time dilation in quantum clock interferometry with entangled multi-photon states and quantum memories
यह शोध पत्र गुरुत्वाकर्षण समय विस्तार (gravitational time dilation) प्रभावों को बढ़ाने के लिए आवृत्ति-उलझी हुई बहु-फोटॉन अवस्थाओं (frequency-entangled multi-photon states) का उपयोग करते हुए एक मेमोरी-सहायता प्राप्त क्वांटम क्लॉक इंटरफेरोमीटर का प्रस्ताव करता है, जो यह प्रदर्शित करता है कि मौजूदा क्वांटम मेमोरीज़ के साथ निकट-अवधि के प्रयोगशाला प्रयोग कुछ मीटर जितने छोटे ऊंचाई के अंतरों द्वारा संचालित एंटैंगलमेंट डायनेमिक्स का अवलोकन कर सकते हैं।
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गुरुत्वाकर्षण को अक्सर एक ऐसे बल के रूप में देखा जाता है जो वस्तुओं को नीचे की ओर खींचता है, लेकिन आइंस्टीन के सामान्य सापेक्षता (जनरल रिलेटिविटी) के क्षेत्र में, यह समय को धीमा करने वाला एक बल भी है। आप गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में जितने गहरे होंगे, आपकी घड़ी ऊपर स्थित किसी व्यक्ति की तुलना में उतनी ही धीमी चलेगी। यह घटना, जिसे गुरुत्वाकर्षण समय विस्तार (ग्रेविटेशनल टाइम डाइलेशन) कहा जाता है, सटीक परमाणु घड़ियों के साथ कई बार सिद्ध हो चुकी है। हालाँकि, एक नया प्रश्न उभरा है: क्या समय का यह धीमा होना क्वांटम यांत्रिकी के अजीब और नाजुक नियमों को प्रभावित करता है? विशेष रूप से, यदि एक क्वांटम प्रणाली एक घड़ी की तरह कार्य करती है और दो अलग-अलग ऊंचाइयों के सुपरपोजिशन (अध्यारोपण) में रखी जाती है, तो क्या उन दो ऊंचाइयों पर अनुभव किए गए समय का अंतर उस क्वांटम प्रणाली के विशेष गुणों को खोने का कारण बनता है? इस प्रश्न का उत्तर देना महत्वपूर्ण है क्योंकि यह उस सीमा की जांच करता है जहाँ बहुत बड़े भौतिकी (जो गुरुत्वाकर्षण को नियंत्रित करती है) और बहुत सूक्ष्म भौतिकी (जो परमाणुओं और प्रकाश को नियंत्रित करती है) का मिलन होता है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने प्रकाश और क्वांटम मेमोरी का उपयोग करके इसे परीक्षण करने का एक तरीका प्रस्तावित किया है। अपने अध्ययन में, वे एक सेटअप का वर्णन करते हैं जहाँ एक विशेष प्रकार का प्रकाश, जो उलझे हुए फोटॉन (एंटैंगल्ड फोटोन) से बना है, को विभाजित किया जाता है और दो अलग-अलग स्थानों पर संग्रहीत किया जाता है जो अलग-अलग ऊंचाइयों पर हैं। एक स्थान दूसरे की तुलना में थोड़ा ऊंचा है। गुरुत्वाकर्षण के कारण, इन दोनों स्थानों पर समय थोड़ी अलग दर से बीतता है। शोधकर्ता दिखाते हैं कि समय का यह अंतर प्रकाश की क्वांटम अवस्था में एक सूक्ष्म बदलाव पैदा करता है। जब प्रकाश को वापस निकाला जाता है और फिर से एक साथ लाया जाता है, तो यह बदलाव प्रकाश तरंगों को एक विशिष्ट पैटर्न में एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप (इंटरफेयर) करने के लिए प्रेरित करता है। यह पैटर्न इस बात पर निर्भर करता है कि प्रकाश को कितनी देर तक संग्रहीत किया गया था और दोनों ऊंचाइयों के बीच की दूरी कितनी थी। इस पैटर्न को मापकर, वैज्ञानिक क्वांटम एंटैंगलमेंट पर गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव का पता लगा सकते हैं।
प्रयोग का मुख्य हिस्सा एक उपकरण है जिसे क्वांटम मेमोरी कहा जाता है, जो प्रकाश के लिए एक हार्ड ड्राइव की तरह कार्य करता है। सामान्यतः, प्रकाश अविश्वसनीय गति से अंतरिक्ष में दौड़ता है, जिससे इसे इतने लंबे समय तक स्थिर रखना कठिन हो जाता है कि गुरुत्वाकर्षण का कोई ध्यान देने योग्य अंतर दिखाई दे सके। इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ता प्रकाश को परमाणुओं के भीतर सामूहिक कंपन के रूप में फँसाने के लिए क्वांटम मेमोरी का उपयोग करते हैं। वे प्रकाश को दो अलग-अलग मेमोरी में संग्रहीत करने का प्रस्ताव देते हैं, जो एक के ऊपर एक स्थित होती हैं। प्रकाश को ऐसी अवस्था में तैयार किया जाता है जहाँ वह दो अलग-अलग आवृत्ति रंगों के सुपरपोजिशन में मौजूद होता है। सुपरपोजिशन के एक भाग में, एक रंग का प्रकाश ऊपर की उच्च मेमोरी तक जाता है, जबकि दूसरा रंग नीचे की निचली मेमोरी तक जाता है। सुपरपोजिशन के दूसरे भाग में, पथ बदल दिए जाते हैं। चूंकि मेमोरी अलग-अलग ऊंचाइयों पर हैं, इसलिए ऊपरी मेमोरी में अनुभव किया गया समय निचली मेमोरी में अनुभव किए गए समय से थोड़ा भिन्न होता है।
जब प्रकाश को मेमोरी से छोड़ा जाता है और पुन: संयोजित किया जाता है, तो दोनों पथों के बीच हस्तक्षेप होता है। यदि समय में कोई अंतर नहीं होता, तो प्रकाश एक अनुमानित तरीके से हस्तक्षेप करता। हालाँकि, गुरुत्वाकर्षण समय विस्तार दोनों पथों के बीच एक फेज शिफ्ट (एक प्रकार का अंतराल या लैग) उत्पन्न करता है। यह अंतराल दोनों पथों के बीच एक प्रकार का विलंब पैदा करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि केवल एकल युग्मों के बजाय उलझे हुए फोटॉनों के समूहों का उपयोग करके, वे इस प्रभाव को बहुत अधिक मजबूत बना सकते हैं। विशेष रूप से, यदि वे फोटॉनों के N युग्मों का उपयोग करते हैं, तो सिग्नल एकल युग्म की तुलना में N गुना तेजी से बदलता है। इसका अर्थ है कि प्रयोग बहुत अधिक संवेदनशील हो जाता है, जिससे वे पहले की तुलना में बहुत कम दूरी या कम भंडारण समय में गुरुत्वाकर्षण प्रभाव का पता लगाने में सक्षम होते हैं।
अध्ययन की गणना बताती है कि वर्तमान तकनीक, जैसे कि रुबिडियम या सीज़ियम परमाणुओं पर आधारित क्वांटम मेमोरी के साथ, इस प्रभाव को केवल 20 से 75 मीटर की ऊंचाई के अंतर के साथ प्रयोगशाला सेटिंग में देखा जा सकता है। यदि वे दुर्लभ-पृथ्वी आयनों (रेयर-अर्थ आयन्स) पर आधारित अधिक उन्नत मेमोरी का उपयोग करते हैं, तो आवश्यक ऊंचाई का अंतर घटकर केवल कुछ मीटर रह जाएगा। प्रकाश को एक सेकंड से कम या कुछ सेकंड के लिए संग्रहीत करने की आवश्यकता होगी। यह पिछले प्रस्तावों की तुलना में एक महत्वपूर्ण कमी है जिनमें दशकों किलोमीटर तक फैले इंटरफेरोमीटर की आवश्यकता थी। शोधकर्ता यह भी दिखाते हैं कि सिग्नल दृश्यमान रहता है भले ही क्वांटम मेमोरी पूरी तरह से कुशल न हो, जो कि वर्तमान प्रयोगों के लिए एक वास्तविक बाधा है।
यह कार्य सुझाव देता है कि हम एक नियंत्रित प्रयोगशाला वातावरण में गुरुत्वाकर्षण द्वारा क्वांटम एंटैंगलमेंट को सीधे प्रभावित करने के तरीके को देखने की दहलीज पर हैं। प्रकाश को एक स्थान पर रोकने के लिए क्वांटम मेमोरी का उपयोग करके और सिग्नल को बढ़ाने के लिए उलझे हुए मल्टी-फोटॉन अवस्थाओं का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने एक व्यावहारिक मार्ग की पहचान की है। परिणाम दर्शाते हैं कि उचित समय (प्रॉपर टाइम) के अंतर से संचालित होने वाले हस्तक्षेप पैटर्न का पतन (कोलैप्स) और पुनरुत्थान (रिवाइवल) को मौजूदा उपकरणों के साथ मापा जा सकता है। यह इस बात का सीधा परिचालन संकेत प्रदान करेगा कि समय विस्तार क्वांटम प्रणालियों को कैसे प्रभावित करता है, जो विशाल, अव्यवहारिक संरचनाओं के निर्माण की आवश्यकता के बिना गुरुत्वाकर्षण और क्वांटम यांत्रिकी के बीच के इंटरफेस को समझने का एक नया तरीका प्रदान करता है। यह अध्ययन स्थापित करता है कि निकट-अवधि की प्रयोगशाला स्थितियाँ इन गतिकी को देखने के लिए पर्याप्त हैं, जो यह चिह्नित करती है कि स्पेसटाइम का ताना-बाना क्वांटम दुनिया के साथ कैसे संपर्क करता है।
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