High-dimensional quantum process tomography with undetected photons
यह शोध पत्र उच्च-आयामी क्वांटम प्रोसेस टोमोग्राफी के लिए एक व्यतिकरणमापी (interferometric) विधि प्रस्तावित करता है जो रूपांतरित क्वांटम अवस्थाओं पर किसी भी प्रत्यक्ष माप की आवश्यकता के बिना क्वैडिट्स (qudits) पर होने वाले किसी भी अनिश्चित संचालन का पूर्णतः पुनर्निर्माण करता है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
कल्पना कीजिए कि आप यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि एक रहस्यमय मशीन वास्तव में उन चीजों को कैसे बदल देती है जिन्हें आप उसके अंदर डालते हैं। क्वांटम भौतिकी की दुनिया में, इस मशीन को "क्वांटम प्रोसेस" (quantum process) कहा जाता है, और वे चीजें जिन्हें यह बदलती है, वे प्रकाश के सूक्ष्म कण हैं जिन्हें फोटॉन (photons) कहा जाता है। इस मशीन के काम करने के तरीके को समझने के लिए, वैज्ञानिकों को आमतौर पर मशीन से बाहर निकलने के बाद उस कण को पकड़ना और उसका मापन करना पड़ता है। लेकिन यहाँ एक पेंच है: कभी-कभी कण प्रकाश के ऐसे रंग या प्रकार में बदल जाता है जिसे हमारी आँखें और कैमरे नहीं देख सकते, या हमारे पास जो डिटेक्टर हैं वे उसे पकड़ने के लिए पर्याप्त अच्छे नहीं होते। यह बिल्कुल वैसा ही है जैसे जादूगर के हाथों को देखकर यह समझने की कोशिश करना कि जादू कैसे हुआ, जबकि असली जादू उस कमरे में हो रहा है जहाँ आपको देखने की अनुमति नहीं है। यह एक बड़ी समस्या है क्योंकि वैज्ञानिक इन उच्च-आयामी क्वांटम अवस्थाओं (high-dimensional quantum states) का उपयोग करके सुपर-फास्ट और सुपर-सुरक्षित संचार नेटवर्क बनाना चाहते हैं, लेकिन यदि वे परिणामों को देख नहीं सकते, तो वे उनका ठीक से परीक्षण नहीं कर सकते।
यहीं पर एक नया विचार आता है, जो "पाथ आइडेंटिटी" (path identity) नामक एक चतुर तकनीक का उपयोग करता है। इसे प्रकाश के साथ खेले जाने वाले "टेलीफोन" के खेल की तरह समझें। उस कण को देखने के बजाय जो रहस्यमय मशीन से होकर गुजरा है, वैज्ञानिक एक जुड़वां कण बनाते हैं जो मशीन से होकर गुजरता ही नहीं है। इन जुड़वां कणों के रास्तों को इतना सटीक रूप से मेल खाने वाला बनाने के लिए कि आप यह अंतर न कर सकें कि कौन सा कौन सा है, "अछूता" जुड़वां कण अपने साथी के साथ जो हुआ उसके गुप्त निशान (fingerprints) अपने भीतर ले लेता है। यह वैज्ञानिकों को उस अज्ञात प्रक्रिया से गुजरने वाले कण को पकड़े बिना, केवल सुरक्षित और सही सलामत बचे हुए जुड़वां कण को देखकर पूरी प्रक्रिया का पुनर्निर्माण करने की अनुमति देता है।
सालिनी राजीव और मयুখ लाहिरी का शोध पत्र इस अवधारणा को पहले से कहीं अधिक आगे ले जाता है। जबकि पिछले प्रयोगों ने इस "जुड़वां" तकनीक का उपयोग केवल उन मशीनों के लिए किया था जो ऊर्जा खोए बिना केवल चीजों को इधर-उधर व्यवस्थित करती हैं (जिन्हें "यूनिटरी" संचालन कहा जाता है), लेखक दिखाते हैं कि यह वास्तविक, अव्यवस्थित मशीनों के लिए भी काम करती है। वास्तविक दुनिया में, मशीनें अक्सर ऊर्जा खो देती हैं या चीजों को इस तरह से बदल देती हैं जो पूर्ण नहीं होतीं; इन्हें "नॉन-यूनिटरी" (non-unitary) संचालन कहा जाता है। टीम ने सिद्ध किया कि भले ही मशीन अपूर्ण हो और एक आदर्श व्यवस्था के बजाय एक लीक होने वाली बाल्टी की तरह व्यवहार करे, फिर भी आप पूरी तरह से इसका मानचित्र बना सकते हैं कि वह क्या करती है। उन्होंने इसे "ऑर्बिटल एंगुलर मोमेंटम" (जिसे आप प्रकाश के कॉर्कस्क्रू की तरह घूमते हुए मान सकते हैं) नामक प्रकाश के एक विशेष प्रकार का उपयोग करके प्रदर्शित किया, यह दिखाते हुए कि केवल सुरक्षित, अछूते जुड़वां फोटॉन को मापकर, वे रहस्यमय मशीन के पूरे ब्लूप्रिंट को गणितीय रूप से फिर से बना सकते हैं।
शोधकर्ताओं ने केवल अनुमान नहीं लगाया कि यह काम करेगा; उन्होंने इसे साबित करने के लिए क्वांटम फील्ड थ्योरी का उपयोग करके एक विस्तृत गणितीय मॉडल बनाया। उन्होंने दिखाया कि सुरक्षित जुड़वां पर एक ज्ञात, नियंत्रित घुमाव (एक "यूनिटरी ट्रांसफॉर्मेशन") भेजकर और फिर दोनों प्रकाश बीमों को एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप (interfere) करते हुए देखकर, वे अज्ञात मशीन की सटीक सेटिंग्स को पढ़ सकते हैं। उन्होंने अपने सिद्धांत का परीक्षण एक विशिष्ट उदाहरण के साथ किया जिसमें एक नॉन-यूनिटरी मशीन थी जिसमें नुकसान (losses) शामिल थे, और उनकी विधि ने सफलतापूर्वक उन सभी छिपे हुए नंबरों को प्राप्त किया जो उस मशीन के काम करने के तरीके का वर्णन करते थे। यह शोध पत्र पुष्टि करता है कि यह "अनडिटेक्टेड फोटॉन" (undetected photon) विधि एक शक्तिशाली नया उपकरण है। इसका अर्थ यह है कि भविष्य में, वैज्ञानिक जटिल क्वांटम उपकरणों का परीक्षण और सत्यापन कर सकेंगे, भले ही उनसे निकलने वाला प्रकाश ऐसे वेवलेंथ रेंज में हो जहाँ अभी तक कोई डिटेक्टर मौजूद नहीं है, जो प्रकाश स्पेक्ट्रम के नए हिस्सों को खोजने के द्वार खोलता है।
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