Three-qubit entanglement in the Bethe-Heitler process

उप-परमाणु जगत में, कण केवल एक-दूसरे से टकराने वाले छोटे, कठोर गोले नहीं हैं; वे एक विचित्र, अदृश्य जुड़ाव के वाहक भी हैं जिसे एंटैंगलमेंट (entanglement) कहा जाता है। जब दो कण एंटैंगल्ड हो जाते हैं, तो उनके गुण इस तरह से जुड़ जाते हैं जो रोजमर्रा के तर्क को चुनौती देते हैं: एक की अवस्था को मापने से तुरंत दूसरे की अवस्था का पता चल जाता है, चाहे वे एक-दूसरे से कितनी भी दूर क्यों न हों। वैज्ञानिकों ने कणों के जोड़ों के साथ इस घटना का लंबे समय से अध्ययन किया है, लेकिन जब तीन कण शामिल होते हैं, तो प्रकृति एक अधिक जटिल पहेली पेश करती है। इस तीन-कण परिदृश्य में, संबंध विभिन्न आकारों के हो सकते हैं, जिनमें से कुछ साधारण जोड़ों की तुलना में कहीं अधिक नाजुक और जटिल होते हैं। तीन-तरफा संबंधों के बनने के तरीके को समझना क्वांटम कंप्यूटिंग के भविष्य और भौतिकी के गहरे नियमों के परीक्षण के लिए महत्वपूर्ण है, फिर भी एक ऐसा प्राकृतिक परिवेश खोजना जहाँ तीन कण नियंत्रित तरीके से एंटैंगल्ड हों, कठिन साबित हुआ है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस पहेली को सुलझाने के लिए कण भौतिकी की एक परिचित, दशकों पुरानी प्रक्रिया की ओर ध्यान आकर्षित किया है। 'बेथे-हीटलर प्रक्रिया' (Bethe-Heitler process) के रूप में जानी जाने वाली यह प्रक्रिया तब होती है जब एक उच्च-गति वाला इलेक्ट्रॉन एक प्रोटॉन से टकराता है, जिससे इलेक्ट्रॉन टकराते हुए प्रकाश की एक चमक—एक फोटॉन—उत्सर्जित करता है। लगभग एक सदी से, भौतिकविदों ने पदार्थ की संरचना और प्रकाश के व्यवहार का अध्ययन करने के लिए इस परस्पर क्रिया का उपयोग किया है, लेकिन उन्होंने टक्कर के भीतर छिपी क्वांटम सूचना को काफी हदना तक अनदेखा किया है। एक नए अध्ययन में, लेखक प्रस्ताव करते हैं कि यही टक्कर तीन-क्यूबिट एंटैंगलमेंट उत्पन्न करने के लिए एक प्राकृतिक प्रयोगशाला के रूप में कार्य करती है। इस संदर्भ में, एक "क्यूबिट" (qubit) केवल एक क्वांटम बिट है, जो क्वांटम कंप्यूटर में सूचना की मौलिक इकाई है, जो इस मामले में अंतिम इलेक्ट्रॉन, अंतिम प्रोटॉन और उत्सर्जित फोटॉन के स्पिन (spin), या आंतरिक घूर्णन द्वारा दर्शाया जाता है।

शोधकर्ताओं ने यह समझने के लिए काम शुरू किया कि कैसे ये तीन कण, जो अलग-अलग संस्थाओं के रूप में शुरू होते हैं, एक एकल, अविभाज्य क्वांटम अवस्था में आपस में बुने जाते हैं। उन्होंने दो विशिष्ट, अत्यधिक प्रतिष्ठित प्रकार के तीन-कण एंटैंगलमेंट पर ध्यान केंद्रित किया। पहला 'ग्रीनबर्गर-हॉर्न-ज़िलिंगर अवस्था' या GHZ अवस्था कहलाता है, जो एक ऐसे जुड़ाव के स्तर का प्रतिनिधित्व करता है जहाँ तीनों कण इतनी मजबूती से जुड़े होते हैं कि यदि आप उनमें से किन्हीं दो को देखते हैं, तो वे पूरी तरह से असंबद्ध दिखाई देते हैं, फिर भी तिकड़ी के रूप में वे गहराई से आपस में जुड़े रहते हैं। दूसरा 'W अवस्था' के रूप में जाना जाता है, जो थोड़ा अधिक सुदृढ़ है; भले ही एक कण खो जाए या अनदेखा कर दिया जाए, शेष दो कण अभी भी एक महत्वपूर्ण संबंध बनाए रखते हैं। जबकि ये अवस्थाएं लेजर और क्रिस्टल का उपयोग करके नियंत्रित प्रयोगशाला सेटिंग्स में नियमित रूप से बनाई जाती हैं, उच्च-ऊर्जा कण टक्कर के अराजक वातावरण में इन्हें पाना एक बहुत दुर्लभ उपलब्धि है।

इसकी जांच के लिए, टीम ने कोई नई मशीन नहीं बनाई बल्कि इसके बजाय बेथे-हीटलर प्रक्रिया के विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन किए। उन्होंने विभिन्न ऊर्जा स्तरों पर इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन की टक्कर का मॉडल तैयार किया, और वांछित एंटैंगल्ड पैटर्न बनाने के लिए निकलने वाले कणों के स्पिन को ट्रैक किया। सिमुलेशन से पता चला कि यह प्रक्रिया पहले की तुलना में कहीं अधिक समृद्ध है। कणों के प्रकीर्णन (scatter) के कोणों और आने वाले इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन की प्रारंभिक स्पिन दिशाओं को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, शोधकर्ताओं ने पाया कि टक्कर स्वाभाविक रूप से इन जटिल अवस्थाओं को उत्पन्न करती है। विशेष रूप से, 5 GeV से नीचे की ऊर्जा श्रेणियों में, सिमुलेशन ने GHZ अवस्था के 900 से अधिक विशिष्ट उदाहरणों और W अवस्था के 1,200 से अधिक उदाहरणों की पहचान की। प्रत्येक मामले में, फिडेलिटी (fidelity), या इस बात का माप कि उत्पन्न अवस्था आदर्श सैद्धांतिक संस्करण से कितनी सटीक रूप से मेल खाती है, 99 प्रतिशत से अधिक थी।

अध्ययन ने यह भी स्पष्ट किया कि ये अवस्थाएं कैसे निर्मित होती हैं। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि एंटैंगलमेंट एक साथ प्रकट नहीं होता है, बल्कि अंतःक्रियाओं के एक क्रम के माध्यम से निर्मित होता है। पहले, इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन मजबूती से जुड़ सकते हैं, और फिर, जैसे ही इलेक्ट्रॉन फोटॉन उत्सर्जित करता है, यह संबंध तीसरे कण को शामिल करने के लिए साझा और पुनर्गठित किया जाता है। टीम ने पाया कि उत्पादित एंटैंगलमेंट का विशिष्ट प्रकार टक्कर की ज्यामिति (geometry) पर बहुत अधिक निर्भर करता है। उदाहरण के लिए, जब फोटॉन आने वाली बीम के सापेक्ष एक बहुत ही विशिष्ट कोण पर उत्सर्जित होता है, तो सिस्टम स्वाभाविक रूप से नाजुक GHZ अवस्था बनाता है। अन्य गतिज क्षेत्रों (kinematic regions) में, जहाँ फोटॉन ऊर्जा का एक बड़ा हिस्सा ले जाता है, वहां अधिक सुदृढ़ W अवस्था उभरती है। सिमुलेशन ने इन अवस्थाओं के कई अप्रत्याशित विविधताओं को भी उजागर किया जो सरल पाठ्यपुस्तकीय विवरणों में फिट नहीं बैठते थे, जिससे पता चलता है कि इस प्रक्रिया का क्वांटम सूचना परिदृश्य हमारी प्रारंभिक अपेक्षा से भी अधिक विविध है।

यद्यपि परिणाम सम्मोहक हैं, लेखक सावधानी बरतते हुए नोट करते हैं कि ये निष्कर्ष प्रत्यक्ष भौतिक माप के बजाय कंप्यूटर मॉडल से आए हैं। अगला कदम इन भविष्यवाणियों को एक वास्तविक प्रयोग में सत्यापित करना होगा, जिसके लिए ऐसे डिटेक्टरों की आवश्यकता होगी जो अंतिम इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन और फोटॉन के स्पिन को एक साथ माप सकें। यह एक महत्वपूर्ण तकनीकी चुनौती है, विशेष रूप से अंतिम इलेक्ट्रॉन के स्पिन को मापने के लिए, जिसे पहचानना अत्यंत कठिन है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि इलेक्ट्रॉनों के बजाय ध्रुवीकृत म्यूऑन (polarized muons) की बीम का उपयोग करना अधिक व्यावहारिक मार्ग हो सकता है, क्योंकि म्यूऑन स्पिन को मापना एक स्थापित तकनीक है। यदि ऐसा प्रयोग किया जा सकता है, तो यह पुष्टि करेगा कि इलेक्ट्रॉन के प्रोटॉन से टकराने की सामान्य, रोजमर्रा की प्रक्रिया वास्तव में विज्ञान के ज्ञात सबसे जटिल क्वांटम अवस्थाओं के लिए एक कारखाना है।

यह कार्य भौतिकी की एक मानक अध्याय को क्वांटम सूचना के लिए एक नए क्षेत्र में बदल देता है। यह प्रदर्शित करता है कि एंटैंगलमेंट का जटिल नृत्य केवल विदेशी, इंजीनियर प्रणालियों तक सीमित नहीं है, बल्कि मौलिक कण अंतःक्रियाओं के ताने-बाने में बुना गया है। यह दिखाते हुए कि एक सरल टक्कर कितनी सटीकता के साथ सैकड़ों अत्यधिक एंटैंगल्ड अवस्थाओं को उत्पन्न कर सकती है, यह अध्ययन यह समझने के लिए एक नया झरोखा खोलता है कि प्रकृति सरल नियमों से जटिलता का निर्माण कैसे करती है। यह खोज बताती है कि ब्रह्मांड लगातार इन नाजुक क्वांटम संबंधों को उत्पन्न कर रहा है, जो उन्हें देखने के लिए सही उपकरणों के मिलने की प्रतीक्षा कर रहा है।