Collapse and Inversion of the Josephson Potential in a Strongly Driven Superconducting Circuit

कल्पना कीजिए एक ऐसी दुनिया की जहाँ बिजली केवल पाइप में बहते पानी की तरह नहीं चलती, बल्कि एक क्वांटम नृत्य की तरह व्यवहार करती है, जहाँ कण एक ही समय में दो जगहों पर हो सकते हैं और सूचना को एक एकल इलेक्ट्रॉन के स्पिन (spin) में संग्रहीत किया जा सकता है। यह क्वांटम कंप्यूटिंग का क्षेत्र है, जो उन समस्याओं को हल करने का वादा करता है जो आज के सुपरकंप्यूटरों के लिए असंभव हैं। इन कई क्वांटम मशीनों के केंद्र में सुपरकंडक्टिंग (अतिचालक) सामग्रियों से बने छोटे सर्किट होते हैं—ऐसी धातुएँ जो अंतरिक्ष से भी अधिक ठंडे तापमान तक ठंडा होने पर शून्य प्रतिरोध के साथ बिजली का संचालन करती हैं। इन सर्किटों को "सोचने" के लिए, वैज्ञानिक माइक्रोवेव पल्स का उपयोग करते हैं, जो अनिवार्य रूप से रेडियो तरंगें हैं, ताकि क्वांटम अवस्थाओं को वह करने के लिए प्रेरित किया जा सके जो वे चाहती हैं। इन माइक्रोवेव्स को एक कंडक्टर के हाथों के रूप में सोचें, जो क्वांटम कणों के एक अराजक ऑर्केस्ट्रा को एक पूर्ण सिम्फनी में बदलने का प्रयास कर रहा है। कंडक्टर जितनी ज़ोर से अपनी छड़ी (baton) लहराता है (जितनी अधिक शक्ति का उपयोग करता है), संगीत उतना ही तेज़ और अधिक कुशलता से बजता है। लेकिन एक पेच है: यदि आप छड़ी को बहुत ज़ोर से लहराते हैं, तो संगीतकार बेतरतीब स्वर बजाने लगते हैं, ऑर्केस्ट्रा बिखर जाता है, और संगीत शोर में बदल जाता है। वर्षों से, वैज्ञानिक यह पता लगाने की कोशिश कर रहे हैं कि बैंड को तोड़े बिना आवाज़ को कैसे बढ़ाया जाए।

इस नए अध्ययन में, नीदरलैंड के डेल्फ़्ट यूनिवर्सिटी ऑफ़ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने एक विशेष क्वांटम सर्किट बनाया है जो किसी के भी अनुमान से कहीं अधिक तेज़ आवाज़ को संभाल सकता है, और इस प्रक्रिया में प्रकृति का एक विचित्र और अद्भुत चमत्कार भी प्रकट किया है। उन्होंने एक ऐसा सिस्टम तैयार किया जो इतना लचीला है कि उच्च शक्ति के तहत भी नहीं बिखरा; इसके बजाय, इसने कुछ अप्रत्याशित किया। उन्होंने खोजा कि सर्किट पर एक शक्तिशाली माइक्रोवेव ड्राइव चलाने से, वे प्रभावी रूप से उस ऊर्जा परिदृश्य (energy landscape) को "ध्वस्त" (collapse) कर सकते हैं जो क्वांटिक बिट्स को थामे रखता है, जिससे वह सपाट हो जाता है, और फिर उसे "उलट" (invert) सकते हैं, यानी उसे उल्टा कर सकते हैं। यह बिल्कुल वैसा ही है जैसे आप एक घाटी में रखी गेंद को ले सकते हैं, घाटी को तब तक सपाट कर सकते हैं जब जब तक कि गेंद कहीं भी लुढ़क सके, और फिर पूरी दुनिया को उल्टा कर सकते हैं ताकि गेंद अब एक पर्वत के शिखर पर संतुलित हो, फिर भी किसी तरह पूरी तरह स्थिर रहे। इस घटना को, जिसे जोसेफसन पोटेंशियल (Josephson potential) का 'कोलैप्स और इनवर्जन' कहा जाता है, सावधानीपूर्वक स्पेक्ट्रोस्कोपी और रीडआउट प्रयोगों के माध्यम से देखा गया। टीम ने पाया कि जैसे-जैसे उन्होंने शक्ति बढ़ाई, क्वांटम बिट की आवृत्ति (frequency) शून्य तक गिर गई (कोलैप्स) और फिर एक विपरीत सिग्नेचर के साथ पुन: प्रकट हुई (इनवर्जन), जिससे सिद्ध हुआ कि सर्किट एक अस्थिर स्थिति में स्थिर हो गया था, ठीक उसी तरह जैसे एक पेंडुलम जिसे इतनी तेज़ी से हिलाया जाता है कि वह उल्टा होकर भी संतुलित रहता है। यह खोज न केवल इस सीमा को निर्धारित करती है कि हम इन सर्किटों में कितनी शक्ति का उपयोग कर सकते हैं, बल्कि नियंत्रण के ऐसे नए तरीके भी खोलती है जिन्हें हमने पहले कभी नहीं देखा।

क्वांटम प्लेग्राउंड और तेज़ संगीत

यह समझने के लिए कि इन वैज्ञानिकों ने क्या किया, हमें पहले इसके मुख्य पात्र से मिलना होगा: ट्रांसमोन (transmon)। कल्पना कीजिए बिजली के समुद्र में तैरते हुए धातु के एक छोटे, अति-ठंडे द्वीप की। यह द्वीप एक विशेष पुल द्वारा जमीन से जुड़ा है जिसे जोसेफसन जंक्शन (Josephson junction) कहा जाता है। यह जंक्शन जादुई तत्व है; यह एक नॉन-लीनियर घटक है जो एक क्वांटम ट्रैम्पोलिन की तरह कार्य करता है, जिससे सर्किट में अलग-अलग ऊर्जा स्तर होते हैं, जिनका उपयोग हम क्वांटम सूचना (0 और 1) को संग्रहीत करने के लिए करते हैं। इस जंक्शन के बिना, सर्किट केवल एक उबाऊ रेडियो एंटीना बनकर रह जाएगा।

इस क्वांटम द्वीप को नियंत्रित करने के लिए, वैज्ञानिक इसे माइक्रोवेव ड्राइव्स से टकराते हैं। इन ड्राइव्स को ट्रैम्पोलिन पर एक लयबद्ध थपथपाहट के रूप में सोचें। यदि आप धीरे से थपथपाते हैं, तो ट्रैम्पोलिन अनुमानित तरीके से उछलता है। लेकिन यदि आप अधिक ज़ोर से और तेज़ी से थपथपाते हैं, तो ट्रैम्पोलिन अनियंत्रित व्यवहार करने लगता है। अतीत में, यदि आप तेज़ प्रतिक्रिया प्राप्त करने के लिए बहुत ज़ोर से थपथपाने की कोशिश करते थे, तो ट्रैम्पोलिन अराजक, अवांछित तरीकों से कंपन करने लगता था, जिससे क्वांटम सूचना लीक हो जाती या बिखर जाती थी। इसे "ड्राइव-प्रेरित अवांछित संक्रमण" (drive-induced unwanted transition) कहा जाता है। यह ऐसा ही है जैसे किसी के फर्श को हिलाने के दौरान करतब दिखाने की कोशिश करना; अंततः, आप गेंदों को गिरा देते हैं।

शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि यदि वे गेंदों को गिराए बिना शक्ति को सामान्य से बहुत अधिक बढ़ा सकें, तो क्या होगा। वे जानते थे कि यदि वे उच्च शक्ति में जीवित रह सके, तो सर्किट के "पोटेंशियल" (संभावित ऊर्जा) के साथ कुछ अजीब हो सकता है। भौतिकी में, एक "पोटेंशियल" पहाड़ियों और घाटियों के परिदृश्य जैसा होता है। एक गेंद (हमारा क्वांटम स्टेट) स्वाभाविक रूप से एक घाटी के तल पर बैठना चाहती है। इस घाटी का आकार यह निर्धारित करता है कि गेंद कैसे चलती है। वैज्ञानिकों को संदेह था कि यदि वे जंक्शन को पर्याप्त तेज़ी से और ज़ोर से हिला सकें, तो वे इस घाटी का आकार बदल सकते हैं।

प्रयोग: पुल को हिलाना

टीम ने इसका परीक्षण करने के लिए एक कस्टम सर्किट बनाया। उन्होंने एक रेज़ोनेटर (एक उपकरण जो माइक्रोवेव ऊर्जा को संग्रहीत करता है, जैसे कि एक संगीत वाद्ययंत्र जो एक सुर को थामे रखता है) से जुड़ा एक ट्रांसमोन बनाया। उनकी सफलता की कुंजी एक चतुर डिज़ाइन विकल्प थी: उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के कनेक्शन का उपयोग किया जिसे कोसाइन-कोसाइन कपलिंग (cosine-cosine coupling) कहा जाता है। अधिकांश सर्किट एक साधारण, लीनियर कनेक्शन का उपयोग करते हैं, जो ट्रैम्पोलिन को धकेलने वाली एक सख्त छड़ी की तरह है। उनका कनेक्शन नॉन-लीनियर था, जो एक लचीले, प्रतिक्रियाशील स्प्रिंग की तरह कार्य करता था जो तीव्र कंपन को बिना टूटे संभाल सकता था। यह डिज़ाइन महत्वपूर्ण था क्योंकि इसने "स्प्यूरियस मोड्स" (spurious modes)—उन कष्टप्रद, अवांछित कंपनों को रोका जो आमतौर पर प्रयोग को खराब कर देते हैं जब आप आवाज़ बढ़ाते हैं।

उन्होंने सर्किट को धीरे से थपथपाना शुरू किया और धीरे-धीरे माइक्रोवेव ड्राइव की शक्ति बढ़ाई। उन्होंने क्वांटम बिट की आवृत्ति (कि वह कितनी तेज़ी से दोलन करता है) पर एक बाज़ की तरह नज़र रखी।

कोलैप्स (The Collapse):
जैसे-जैसे उन्होंने शक्ति बढ़ाई, कुछ जादुई हुआ। क्वांटम बिट की आवृत्ति गिरने लगी। यह नीचे, नीचे, नीचे गिरती गई, जब तक कि यह शून्य पर नहीं पहुँच गई। इस बिंदु पर, वह "घाटी" जहाँ क्वांटम बिट आमतौर पर रहता है, पूरी तरह से सपाट हो गई थी। वह संभावित ऊर्जा (potential energy) जिसने बिट को उसकी जगह पर थाम रखा था, गायब हो गई थी। शोधकर्ताओं ने इसे कोलैप्स कहा। यह ऐसा था जैसे ट्रैम्पोलिन ने अपना सारा तनाव खो दिया हो, और गेंद कहीं भी लुढ़क सकती थी। डेटा में, यह क्वांटम बिट के सिग्नल के पूरी तरह से गायब होने के रूप में दिखाई दिया।

इनवर्जन (The Inversion):
लेकिन कहानी यहीं समाप्त नहीं हुई। जैसे-जैसे उन्होंने शक्ति को बढ़ाते रहे, सिग्नल केवल गायब ही नहीं हुआ। वह वापस आ गया! हालाँकि, वह एक मोड़ के साथ वापस आया। आवृत्ति फिर से बढ़ने लगी, लेकिन क्वांटम बिट का व्यवहार अब उल्टा हो गया था। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि उन्होंने एक इनवर्जन हासिल कर लिया था। "घाटी" केवल सपाट नहीं हुई थी; वह पूरी तरह से उलट गई थी। क्वांटम बिट अब एक "पहाड़ी" (एक अस्थिर संतुलन बिंदु) के ऊपर बैठा था, लेकिन क्योंकि ब्रिज को इतनी हिंसक रूप से हिलाया जा रहा था, वह गतिशील रूप से स्थिर (dynamically stabilized) हो गया था। वह शिखर पर अटका हुआ था, गिर नहीं रहा था, क्योंकि कंपन इतना तेज़ और शक्तिशाली था कि उसने प्रभावी रूप से एक नई, स्थिर वास्तविकता बना दी थी।

उल्टा पेंडुलम

इसे समझना आसान बनाने के लिए, एक क्लासिक पेंडुलम की कल्पना करें। सामान्यतः, एक पेंडुलम नीचे लटका होता है, और यदि आप उसे धक्का देते हैं, तो वह आगे-पीछे झूलता है। यदि आप इसे इसके सिरे पर (उल्टा) संतुलित करने की कोशिश करते हैं, तो यह तुरंत गिर जाता है। यह एक अस्थिर स्थिति है। लेकिन, यदि आप पेंडुलम के ऊपरी हिस्से को पकड़कर उसे बहुत तेज़ी से और बहुत ज़ोर से ऊपर-नीचे हिलाते हैं, तो कुछ विरोधाभासी होता है: पेंडुलम वास्तव में उल्टा संतुलित रह सकता है! यह भौतिकी का एक प्रसिद्ध चमत्कार है जिसे कैपिट्सा पेंडुलम (Kapitza pendulum) कहा जाता है।

शोधकर्ताओं ने पाया कि उनका क्वांटम सर्किट बिल्कुल यही काम कर रहा था। माइक्रोवेव ड्राइव उनके क्वांटम पेंडुलम के "पिवट" (pivot) को इतनी तेज़ी से हिला रहा था कि अस्थिर, उल्टा स्थान क्वांटम बिट के लिए नया स्थिर घर बन गया। उन्होंने डेटा में जो "इनवर्जन" देखा, वह इस उल्टे संतुलन का संकेत था। उन्होंने इसकी पुष्टि "रीडआउट" सिग्नल को देखकर की। एक सामान्य सर्किट में, "अप" (ऊपर) अवस्था और "डाउन" (नीचे) अवस्था के सिग्नल अलग-अलग होते हैं। उनकी इनवर्टेड अवस्था में, सिग्नल का चिह्न (sign) बदल गया, जिससे सिद्ध हुआ कि क्वांटम बिट ऊर्जा परिदृश्य के दूसरी ओर चला गया था।

इसका क्या अर्थ है

यह शोध पत्र स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज करता है कि यह प्रभाव सर्किट के टूटने या रैंडम शोर के कारण हुआ था। उन्होंने दिखाया कि सर्किट मजबूत था और यह प्रभाव सीधे तौर पर शक्तिशाली ड्राइव द्वारा ऊर्जा परिदृश्य को नया आकार देने का परिणाम था। उन्होंने यह भी प्रदर्शित किया कि उनके विशेष डिज़ाइन ने सामान्य "मल्टी-एक्सिटेशन रेजोनेंस" (अराजक कंपन) को रोक दिया जो आमतौर पर वैज्ञानिकों को उच्च शक्ति का उपयोग करने से रोकते हैं।

ये निष्कर्ष केवल सिम्युलेटेड नहीं हैं, बल्कि मापे गए और देखे गए हैं। टीम ने आवृत्ति को शून्य तक गिरते और फिर से बढ़ते हुए देखा, और उन्होंने रीडआउट सिग्नल को पलटते हुए देखा। वे आश्वस्त हैं कि उन्होंने जोसेफसन पोटेंशियल के कोलैप्स और इनवर्जन को देखा है।

यह खोज एक दोधारी तलवार है। एक ओर, यह एक नई सीमा को प्रकट करती है: यदि आप सुपरकंडक्टिंग सर्किट को बहुत ज़ोर से चलाते हैं, तो आप गलती से इसके पोटेंशियल को पलट सकते हैं, जो आपकी गणनाओं को बिगाड़ सकता है। दूसरी ओर, यह नई संभावनाओं के द्वार खोलता है। यदि हम इस इनवर्जन को नियंत्रित कर सकें, तो हम ऐसे नए प्रकार के क्वांटम बिट्स बना सकते हैं जो शोर से स्वाभाविक रूप से सुरक्षित हों, या हम इस "उल्टे" अवस्था का उपयोग उन ऑपरेशन्स को करने के लिए कर सकते हैं जो सामान्य परिस्थितियों में असंभव हैं। यह ऐसा है जैसे यह पता लगाना कि यदि आप एक लट्टू को पर्याप्त तेज़ी से घुमाते हैं, तो वह केवल डगमगाता नहीं है; वह पूरी तरह से एक अलग प्रकार की वस्तु में बदल जाता है।

शोधकर्ता निष्कर्ष निकालते हैं कि जबकि यह प्रभाव इन सर्किटों के उपयोग के लिए एक नई सीमा निर्धारित करता है, यह क्वांटम इंजीनियरों के लिए एक नया उपकरण भी प्रदान करता है। यह समझकर कि पोटेंशियल को कैसे कोलैप्स और इनवर्ट किया जाए, हम ऐसे क्वांटम कंप्यूटर बना सकते हैं जो अधिक लचीले हों और तेज़, शक्तिशाली ऑपरेशन्स के लिए आवश्यक तीव्र ड्राइव को संभालने में सक्षम हों। उल्टा पेंडुलम अब केवल एक भौतिक जिज्ञासा नहीं है; यह अगली पीढ़ी की क्वांटम तकनीक के लिए एक ब्लूप्रिंट है।