Mesoscopic mechanical superpositions by gluing individual quantum systems

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, अदृश्य मंच है जहाँ दो बहुत अलग तरह के अभिनेता प्रदर्शन कर रहे हैं। एक तरफ, आपके पास क्वांटम मैकेनिक्स की नन्ही, चंचल दुनिया है, जहाँ इलेक्ट्रॉन जैसे कण एक ही समय में दो जगहों पर हो सकते हैं, और तरंगों (waves) की तरह व्यवहार करते हैं जो स्वयं के साथ हस्तक्षेप (interfere) करती हैं। दूसरी ओर, रोजमर्रा की वस्तुओं—गेंदों, कारों और धूल—की ठोस, अनुमानित दुनिया है, जो सख्त नियमों का पालन करती है और कभी भी एक साथ दो जगहों पर नहीं दिखती। एक सदी से अधिक समय से, वैज्ञानिक इन दोनों दुनियाओं के बीच एक पुल बनाने की कोशिश कर रहे हैं। वे देखना चाहते हैं कि क्या नन्ही दुनिया के अजीब, "रहस्यमयी" नियम बड़े, "मेसोस्कोपिक" (mesoscopic) पिंडों, जैसे कि धूल के कण या एक छोटे मोती पर लागू हो सकते हैं। यदि वे एक छोटे पिंड को क्वांटम तरंग की तरह व्यवहार करने में सक्षम बना सकते हैं, तो यह सिद्ध होगा कि भौतिकी के नियम हर चीज़ के लिए समान हैं, चाहे वह कितनी भी बड़ी या छोटी क्यों न हो। यह केवल एक करतब नहीं है; यह एक मौलिक परीक्षण है कि क्या हमारी वास्तविकता की समझ उस सीमा तक पहुँचने पर भी कायम रहती है जहाँ हम इसे धकेलते हैं।

जिस शोध पत्र को आप अब पढ़ने जा रहे हैं, वह उस पुल को बनाने का एक चतुर नया तरीका प्रस्तावित करता है। एक भारी वस्तु को अपने आप क्वांटम अवस्था में धकेलने की कोशिश करने के बजाय (जो अविश्वसनीय रूप से कठिन है क्योंकि वातावरण आमतौर पर इसमें बाधा डालता है), लेखक एक नन्हे, अति-क्वांटम इलेक्ट्रॉन को एक "संदेशवाहक" के रूप में उपयोग करने का सुझाव देते हैं ताकि एक बड़ी वस्तु पर क्वांटम अवस्था को अंकित किया जा सके। इसे ऐसे सोचिए: कल्पना कीजिए कि आपके पास एक लेजर बीम में तैरता हुआ एक छोटा, अदृश्य मार्बल (नैनोपार्टिकल) है, और आप चाहते हैं कि वह एक क्वांटम लय में नृत्य करे। आमतौर पर, आपको उस मार्बल को एक विशाल, जटिल मशीन से धकेलना होगा। लेकिन यह शोध पत्र एक अलग तरकीब का सुझाव देता है: एक अकेले इलेक्ट्रॉन को मार्बल पर दाग दें। हालाँकि, यह कोई साधारण इलेक्ट्रॉन नहीं है; यह एक ऐसा इलेक्ट्रॉन है जिसे एक विशेष "टाइम-बिन" (time-bin) सुपरपोजिशन में तैयार किया गया है, जिसका अर्थ है कि इसकी वेवफंक्शन एक ऐसी स्थिति का वर्णन करती है जहाँ यह मार्बल पर दो अलग-अलग समय पर एक साथ पहुँचता है—जैसे कि एक भूत जो एक ही समय में जल्दी और देर, दोनों है। जब यह इलेक्ट्रॉन मार्बल के साथ परस्पर क्रिया (interact) करता है, तो यह मार्बल की सतह पर फंस जाता है, जिससे मार्बल का विद्युत आवेश एक इकाई कम हो जाता है। क्योंकि इलेक्ट्रॉन आवेशित है, इसलिए यह परस्पर क्रिया मार्बल को संवेग (momentum) का एक "धक्का" (kick) देती है। चूंकि इलेक्ट्रॉन की वेवफंक्शन उसके दो अलग-अलग समय पर पहुँचने का वर्णन करती है, इसलिए प्रयोग के दौरान लगाया गया विद्युत क्षेत्र मार्बल को एक दिशा में धक्का देगा यदि इलेक्ट्रॉन "जल्दी" पहुँचता है, और विपरीत दिशा में धक्का देगा यदि इलेक्ट्रॉन "देर" से पहुँचता है। चूंकि इलेक्ट्रॉन दोनों आगमन समय के सुपरपोजिशन में है, इसलिए मार्बल दोनों धक्कों के सुपरपोजिशन में समाप्त होता है, जिससे एक "श्रोडिंगर किटन" (Schrödinger kitten) बनता है—प्रसिद्ध बिल्ली का एक छोटा, क्वांटम संस्करण जो जीवित और मृत दोनों है।

लेखक इस कार्य को संपन्न करने के लिए एक विशिष्ट प्रोटोकॉल का प्रस्ताव करते हैं। सबसे पहले, वे एक लेजर बीम में एक छोटा सिलिका मनका (लगभग 50 नैनोमीटर चौड़ा) फँसाते हैं, और उसे तब तक ठंडा करते हैं जब तक कि वह लगभग पूरी तरह से स्थिर न हो जाए। इसके बाद, वे एक अकेले इलेक्ट्रॉन को दो आगमन समयों के सुपरपोजिशन में तैयार करते हैं। फिर, वे एक सावधानीपूर्वक समयबद्ध विद्युत क्षेत्र लागू करते हैं। यदि इलेक्ट्रॉन "जल्दी" आता है, तो क्षेत्र मनके को एक दिशा में धक्का देता है; और यदि वह "देर" से आता है, तो क्षेत्र उसे विपरीत दिशा में धक्का देता है। क्योंकि इलेक्ट्रॉन दोनों समयों के सुपरपोजिशन में है, इसलिए मनका दोनों धक्कों के सुपरपोजिशन में समाप्त होता है। इस पद्धति की सुंदरता यह है कि इसके लिए मनके को एक विशाल दूरी पर अपनी वेवफंक्शन फैलाने या जटिल, गैर-रेखीय ट्रैप्स (non-linear traps) का उपयोग करने की आवश्यकता नहीं है। इसके बजाय, यह इलेक्ट्रॉन के आवेश और मनके के बीच सीधे, मजबूत संपर्क पर निर्भर करता है। शोध पत्र सुझाव देता है कि इलेक्ट्रॉन के चरण (phase/timing relationship) को नियंत्रित करके, वैज्ञानिक मनके की स्थिति में हस्तक्षेप पैटर्न (interference patterns) देख सकते हैं, जो यह सिद्ध करेगा कि वह एक क्वांटमान सुपरपोजिशन में था।

हालाँकि, लेखक सावधानी बरतते हुए नोट करते हैं कि यह एक प्रस्ताव है, कोई पूर्ण प्रयोग नहीं। वे सिमुलेशन चलाते हैं ताकि यह दिखाया जा सके कि यह विचार काम कर सकता है। वे गणना करते हैं कि पर्यावरण के प्राकृतिक "शोर" के बावजूद—जैसे कि गैस के अणुओं का बिखराव या लेजर से उत्पन्न गर्मी—क्वांटम सुपरपोजिशन (वह "किटन" अवस्था) देखने के लिए पर्याप्त समय तक जीवित रहेगी। वे पाते हैं कि यदि प्रयोग तेजी से, एक सेकंड के अंश के भीतर किया जाता है, तो हस्तक्षेप फ्रिंज (हस्तक्षेप के निशान) दिखाई देंगे। वे यह भी बताते हैं कि यह दृष्टिकोण पिछले विचारों के कई खतरों से बचता है, जैसे कि कण को छोड़ने और पुनः प्राप्त करने की आवश्यकता या डार्क पोटेंशियल का उपयोग। शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि यदि इस प्रोटोकॉल को बनाया और परीक्षण किया जाता है, तो यह वैज्ञानिकों को उन वस्तुओं पर क्वांटम यांत्रिकी का परीक्षण करने की अनुमति दे सकता है जो अब तक प्राप्त किए गए स्तर से कम से कम पांच गुना अधिक द्रव्यमान वाली हैं, जिससे क्वांटम दुनिया की एक नई खिड़की खुल जाएगी।

संक्षेप में, यह शोध पत्र एक नन्हे, आवेशित मनके को एक क्वांटम सुपरहीरो में बदलने का एक चंचल लेकिन कठोर ब्लूप्रिंट प्रदान करता है। एक अकेले इलेक्ट्रॉन को क्वांटम संदेशवाहक के रूप में उपयोग करके, यह एक बड़ी वस्तु पर क्वांटम विचित्रता को "अंकित" करने का एक तरीका सुझाता है, जिससे संभावित रूप से हमें एक मेसोस्कोपिक वस्तु को एक साथ दो अवस्थाओं में मौजूद होते हुए देखने की अनुमति मिल सकती है। जबकि गणित बताता है कि यह संभव और त्रुटियों के प्रति मजबूत है, वास्तविक परीक्षण प्रयोगशाला में होगा, जहाँ इलेक्ट्रॉन और मनके के बीच के नाजुक नृत्य को ब्रह्मांड के बैकग्राउंड शोर द्वारा खराब किए बिना संपन्न किया जाना चाहिए।