Simulating Black Hole Thermality and Interior Scrambling on a Superconducting Quantum Processor

ब्लैक होल ब्रह्मांड की सबसे चरम वस्तुओं में से एक हैं, जहाँ गुरुत्वाकर्षण के नियम इतने तीव्र हो जाते हैं कि प्रकाश भी बाहर नहीं निकल पाता। दशकों से, भौतिकविद् इन ब्रह्मांडीय दिग्गजों के केंद्र में स्थित एक विरोधाभास से मंत्रमुग्ध रहे हैं: जहाँ गुरुत्वाकर्षण उन्हें एक पूर्ण जाल बताता है, वहीं क्वांटम मैकेनिक्स सुझाव देती है कि उन्हें धीरे-धीरे ऊर्जा लीक करनी चाहिए और अंततः लुप्त हो जाना चाहिए। यह रिसाव, जिसे हॉकिंग रेडिएशन (Hawking radiation) के रूप में जाना जाता है, थर्मल होने की भविष्यवाणी की जाती है, जिसका अर्थ है कि यह एक विशिष्ट तापमान वहन करता है जो ब्लैक होल के सतही गुरुत्वाकर्षण द्वारा निर्धारित होता है। साथ ही, ब्लैक होल को ब्रह्मांड के सबसे कुशल अराजकता के संदेशवाहक के रूप में माना जाता है, जो किसी भी जानकारी को इतनी गहराई से बिखेर (scramble) देते हैं कि उसे पुनर्गठित करना असंभव हो जाता है। यह समझना कि ये दो व्यवहार—थर्मल उत्सर्जन और अराजक बिखराव (chaotic scrambling)—कैसे सह-अस्तित्व में हैं, आधुनिक भौतिकी की एक बड़ी चुनौती है, जिसका अध्ययन सीधे तौर पर करना कठिन है क्योंकि वास्तविक ब्लैक होल बहुत दूर और बहुत विशाल हैं ताकि उन पर प्रयोग किया जा सके।

इस अंतर को पाटने के लिए, शोधकर्ताओं ने क्वांटम कंप्यूटरों का रुख किया है, जो उन जटिल भौतिक प्रणालियों का अनुकरण कर सकते हैं जिन्हें मानक सुपरकंप्यूटरों के साथ कैलकुलेट करना असंभव है। एक हालिया अध्ययन में, भौतिकविदों की एक टीम ने एक सुपरकंडक्टिंग क्वांटम प्रोसेसर का उपयोग करके ब्लैक होल का एक प्रयोगशाला मॉडल बनाया। उन्होंने वास्तविक गुरुत्वाकर्षण विलक्षणता (gravitational singularity) नहीं बनाई, बल्कि इसके बजाय क्यूबिट्स (qubits) की एक क्वांटम श्रृंखला बनाई जो गणितीय रूप से ब्लैक होल के इवेंट होराइजन (घटना क्षितिज) के पास गतिमान कणों की तरह व्यवहार करती है। इन क्यूबिट्स के बीच के कनेक्शन को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, टीम ने एक ऐसा सिस्टम बनाया जो ब्लैक होल के आसपास के स्पेस-टाइम की ज्यामिति की नकल करता है, जिससे उन्हें यह परीक्षण करने की अनुमति मिली कि गर्मी कैसे उत्सर्जित होती है और सूचना क्षितिज के भीतर कैसे बिखरी (scrambled) होती है।

शोधकर्ताओं ने अपने सिम्युलेटेड ब्लैक होल का "परिदृश्य" (landscape) तैयार करने से शुरुआत की। उनके मॉडल में, क्षितिज के बाहर का स्थान शांत है, क्षितिज स्वयं एक महत्वपूर्ण सीमा है जहाँ चीजें तेजी से बदलती हैं, और आंतरिक भाग एक ऐसा क्षेत्र है जहाँ सूचना का प्रवाह इतना विकृत हो जाता है कि वह प्रकाश की गति की सामान्य सीमाओं से परे झुक जाता है। उन्होंने इस सिम्युलेटेड स्पेस के माध्यम से ऊर्जा की एक छोटी लहर भेजी और यह मापा कि वह कैसे चलती है। परिणाम सैद्धांतिक भविष्यवाणियों से पूरी तरह मेल खाते थे: लहर क्षितिज तक पहुँचने से पहले सामान्य रूप से यात्रा करती है, क्षितिज पर पहुँचते ही धीमी और चपटी हो जाती है, और आंतरिक भाग में प्रवेश करने के बाद अत्यधिक झुकी हुई (over-tilted) हो जाती है। इसने पुष्टि की कि उनके क्वांटम सर्किट ने ब्लैक होल की प्रभावी ज्यामिति को सफलतापूर्वक पुन: निर्मित किया, जिसमें लाइट कोन्स (light cones)—प्रकाश और सूचना द्वारा लिए जाने वाले पथ—का क्षितिज के पास मुड़ना और झुकना भी शामिल है।

इसके बाद, टीम ने ब्लैक होल के तापमान पर ध्यान केंद्रित किया। सिद्धांत के अनुसार, ब्लैक होल जितना गर्म होगा, वह उतनी ही तेजी से ऊर्जा विकीर्ण करेगा। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि क्या वे क्षितिज के भीतर एक कण के बाहर निकलने के प्रयास को देखकर इस तापमान को माप सकते हैं। उन्होंने एक स्थानीयकृत उत्तेजना (localized excitation), मूल रूप से एक एकल क्वांटम कण, को इवेंट होराइजन के ठीक अंदर तैयार किया और देखा कि सिग्नल बाहर कब दिखाई देता है। उन्होंने एक स्पष्ट संबंध पाया: उनके सिम्युलेटेड ब्लैक होल का सतही गुरुत्वाकर्षण जितना मजबूत था, सिग्नल बाहरी डिटेक्टर तक उतनी ही जल्दी पहुँचा। इस आगमन समय को मापकर, वे अपने मॉडल के हॉकिंग तापमान की गणना करने में सक्षम थे। इसने ब्लैक होल के तापमान का अनुमान लगाने का एक नया, गतिशील तरीका प्रदान किया, जिसके लिए पूरे ऊर्जा वितरण को मापने की आवश्यकता नहीं थी, प्रभावी रूप से एक ऐसा थर्मामीटर बनाया जो यह समय निकालकर काम करता है कि एक कण को बाहर निकलने में कितना समय लगता है।

अध्ययन के अंतिम भाग में यह पता लगाया गया कि क्या होता है जब ब्लैक होल के भीतर के कण आपस में क्रिया (interact) करना शुरू करते हैं। उनके मॉडल के सबसे सरल संस्करण में, कण स्वतंत्र रूप से चलते हैं, जैसे कि बिना बात किए गलियारे से गुजरते लोगों की भीड़। इस अवस्था में, सूचना फैलती तो है, लेकिन यह एक अनुमानित, गैर-घातांकीय (non-exponential) तरीके से होती है। हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने इंटरैक्शन को बढ़ा दिया, जिससे कण एक-दूसरे को मजबूती से प्रभावित करने लगे, तो व्यवहार नाटकीय रूप से बदल गया। सिस्टम सूचना को अराजक तरीके से बिखेरने लगा, जिसे लयापुनोव ग्रोथ (Lyapunov growth) के रूप में जाना जाता है, जहाँ शुरुआती अवस्था के सूक्ष्म अंतर बहुत तेज़ी से बड़े अंतरों में बदल जाते हैं। यह वही तीव्र बिखराव है जिसकी ब्लैक होल से उम्मीद की जाती है। टीम ने इंटरैक्शन की शक्ति को धीरे-धीरे बढ़ाकर और सिस्टम के विभिन्न हिस्सों के बीच सहसंबंध (correlation) के क्षय को देखकर इस संक्रमण को मापा। उन्होंने देखा कि जैसे-जैसे इंटरैक्शन मजबूत होते गए, सिस्टम सरल प्रसार से बदलकर एक वास्तविक ब्लैक होल की विशेषता वाले जटिल, अराजक बिखराव में स्थानांतरित हो गया।

यह पूरा प्रयोग एक IBM क्वांटम प्रोसेसर पर संचालित किया गया था, जो एक ऐसी मशीन है जो सुपरकंडक्टिंग सर्किट का उपयोग करके क्वांटम अवस्थाओं को नियंत्रित करती है। चूंकि ये मशीनें अभी अपने शुरुआती चरणों में हैं और त्रुटियों के प्रति संवेदनशील हैं, इसलिए शोधकर्ताओं को अपने प्रयोगों को सावधानीपूर्वक डिजाइन करना पड़ा। उन्होंने अलग-अलग कार्यों के लिए अपने मुख्य मॉडल के विभिन्न, सरल संस्करणों का उपयोग किया। ज्यामिति और तापमान को मापने के लिए, उन्होंने एक ऐसा संस्करण उपयोग किया जिसमें कम चरण आवश्यक थे, जिससे त्रुटियों की संभावना कम हो गई। अराजक बिखराव का अध्ययन करने के लिए, उन्होंने एक अधिक जटिल संस्करण का उपयोग किया जिसमें आवश्यक इंटरैक्शन शामिल थे। अपने द्वारा पूछे गए विशिष्ट प्रश्न के अनुसार सर्किट को अनुकूलित करके, वे वर्तमान हार्डवेयर की सीमाओं के बावजूद सैद्धांतिक भविष्यवाणियों से मेल खाने वाले स्पष्ट परिणाम प्राप्त करने में सक्षम रहे।

यह कार्य प्रदर्शित करता है कि क्वांटम कंप्यूटर ब्रह्मांड के सबसे चरम वातावरण का अनुकरण करने के लिए कितने शक्तिशाली होते जा रहे हैं। टीम ने सफलतापूर्वक दिखाया कि एक एकल, प्रोग्रामेबल प्लेटफॉर्म ब्लैक होल की ज्यामिति को पुन: उत्पन्न कर सकता है, उसके थर्मल गुणों को माप सकता है, और अराजक बिखराव की शुरुआत को देख सकता है। ये निष्कर्ष अपने आप में ब्लैक होल भौतिकी के गहरे रहस्यों को हल नहीं करते हैं, लेकिन वे विचारों का परीक्षण करने के लिए एक महत्वपूर्ण नया उपकरण प्रदान करते हैं। एक नियंत्रित वातावरण बनाकर जहाँ इन घटनाओं को देखा और हेरफेर किया जा सकता है, वैज्ञानिक अब सूचना हानि और स्पेस-टाइम की प्रकृति के बारे में उन प्रश्नों का पता लगा सकते हैं जो पहले पहुंच से बाहर थे। सिस्टम को एक शांत, गैर-परस्पर क्रिया वाली अवस्था से एक अराजक, बिखराव वाली अवस्था में ट्यून करने की क्षमता एक अनूठा दृष्टिकोण प्रदान करती है कि कैसे सरल क्वांटम नियमों से जटिलता उभरती है, जो ब्लैक होल के अमूर्त गणित को प्रयोगात्मक अवलोकन के क्षेत्र में ले आती है।