Observing Bell Inequality Violation Beyond the Qubit Bound in a Spinor Bose--Einstein Condensate
यह शोध पत्र एक स्पिन-1 Rb बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट में वास्तविक मल्टीपार्टाइट क्यूट्रिट बेल सहसंबंधों (multipartite qutrit Bell correlations) के प्रथम अवलोकन की रिपोर्ट करता है, जहाँ स्पिन-एक्सचेंज टकरावों द्वारा उत्पन्न स्पिन-नेमैटिक स्क्वीजिंगिंग (spin-nematic squeezing) एक ऐसे बेल विटनेस उल्लंघन (Bell witness violation) की ओर ले जाती है जो कि क्यूबिट्स के किसी भी संग्रह द्वारा प्राप्त की जा सकने वाली सीमाओं से परे है, जिससे यह सिद्ध होता है कि मोटे तौर पर किए गए सामूहिक माप (coarse-grained collective measurements) स्थूल पैमानों पर उच्च-आयामी क्वांटम गैर-स्थानीयता (high-dimensional quantum nonlocality) को प्रमाणित कर सकते हैं।
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क्वांटम यांत्रिकी अपने उन तरीकों के लिए प्रसिद्ध है जो सामान्य समझ को चुनौती देते हुए कणों को एक दूसरे से जोड़ने की अनुमति देते हैं। जब दो कण आपस में उलझे (entangled) होते हैं, तो एक का मापन तुरंत दूसरे के बारे में जानकारी प्रकट कर देता है, चाहे वे एक-दूसरे से कितनी भी दूर क्यों न हों। गैर-स्थानीयता (nonlocality) के रूप में जानी जाने वाली इस घटना को भौतिक विज्ञानी जॉन बेल ने पहली बार रेखांकित किया था, जिन्होंने यह परीक्षण करने का एक तरीका प्रस्तावित किया था कि क्या इन संबंधों को छिपे हुए, पूर्व-मौजूद नियमों द्वारा समझाया जा सकता है या क्या इनके लिए वास्तव में एक अजीब, गैर-शास्त्रीय वास्तविकता की आवश्यकता है। दशकों से, वैज्ञानिक इस परीक्षण का उपयोग यह सिद्ध करने के लिए करते आए हैं कि प्रकृति वास्तव में क्वांटम है, लेकिन उन्होंने इसे ज्यादातर सरल, दो-अवस्था वाली प्रणालियों के साथ किया है, जैसे कि सिक्के जो केवल चित या पट हो सकते हैं। हालांकि ये दो-अवस्था वाली प्रणालियाँ उपयोगी हैं, वे क्वांटम दुनिया का एक बहुत ही सीमित दृश्य प्रस्तुत करती हैं। कई वास्तविक दुनिया की क्वांटम प्रणालियाँ अधिक जटिल होती हैं, जो एक साथ तीन या अधिक अवस्थाओं में मौजूद होने में सक्षम होती हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक पासा जिसमें एक, दो, तीन, चार, पांच या छह पक्ष हो सकते हैं। यह समझना कि क्या ये अधिक जटिल, बहु-अवस्था वाली प्रणालियाँ भी इन गहन गैर-स्थानीय संबंधों को प्रदर्शित कर सकती हैं, एक प्रमुख खुला प्रश्न रहा है, विशेष रूप से बड़े कण समूहों के मामले में जहाँ व्यक्तिगत ट्रैकिंग असंभव है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस प्रश्न का उत्तर दिया है कि कैसे परमाणुओं का एक बड़ा बादल इन जटिल क्वांटम संबंधों को उस तरह से प्रदर्शित कर सकता है जिसे सरल दो-अवस्था वाली प्रणालियाँ कभी नहीं कर सकतीं। एक स्पिन-1 बोस-आइंस्टीन कंडेंसेट (Bose-Einstein condensate) के साथ काम करते हुए—पदार्थ की एक ऐसी अवस्था जहाँ लगभग 31,000 रुबिडियम परमाणु एक एकल क्वांटम इकाई के रूप में व्यवहार करते हैं—वैज्ञानिकों ने 'स्पिन-नेमैटिक स्क्वीजिंग' (spin-nematic squeezing) नामक एक विशिष्ट प्रकार की क्वांटम अवस्था बनाई। इस अवस्था में, परमाणु न केवल आपस में जुड़े हुए हैं; बल्कि उनके आंतरिक गुण इस तरह से सह-संबंधित हैं कि वे कुछ मापों में अनिश्चितता को उस स्तर से नीचे ले आते हैं जो साधारण दो-अवस्था वाले कणों के किसी भी संग्रह के लिए संभव है। पूरे बादल के सामूहिक व्यवहार को मापने के लिए, बिना व्यक्तिगत परमाणुओं को देखे, शोधकर्ताओं ने एक बेल असमानता (Bell inequality) का उल्लंघन देखा जो क्यूबिट्स (qubits), यानी क्वांटम सूचना की मानक दो-अवस्था वाली इकाइयों के सैद्धांतिक सीमा से भी ऊपर निकल गया। यह परिणाम प्रत्यक्ष प्रमाण प्रदान करता है कि परमाणु वास्तव में तीन-स्तरीय प्रणालियों, या 'क्युट्रिट्स' (qutrits) के रूप में कार्य कर रहे हैं, और उनके सह-संबंध साधारण बाइनरी क्वांटम बिट्स के साथ प्राप्त करने योग्य किसी भी चीज़ की तुलना में मौलिक रूप से अधिक जटिल हैं।
यह प्रयोग एक प्रयोगशाला में आयोजित किया गया था जहाँ शोधकर्ताओं ने प्रकाश की एक केंद्रित किरण में रुबिडियम-87 परमाणुओं के एक बादल को फँसाया था, और उन्हें तब तक ठंडा किया जब तक कि वे बोस-आइंस्टीन कंडेंसेट के रूप में नहीं बदल गए। प्रारंभ में, सभी परमाणुओं को एक विशिष्ट, शांत अवस्था में तैयार किया गया था जहाँ वे अपनी आंतरिक संरचना के मध्य ऊर्जा स्तर पर स्थित थे। आवश्यक क्वांटम लिंक बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने 'स्पिन-मिक्सिंग डायनेमिक्स' (spin-mixing dynamics) नामक एक तकनीक का उपयोग किया। चुंबकीय क्षेत्रों और माइक्रोवेव आवृत्तियों को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, उन्होंने परमाणुओं के बीच टकराव को प्रेरित किया जिससे वे स्वतः ही अपनी आंतरिक अवस्थाओं को बदलने लगे, और मध्य स्तर से ऊपरी और निचले स्तरों पर एक साथ चले गए। यह प्रक्रिया, जो लगभग 95 मिलीसेकंड तक चली, एक अत्यधिक उलझी हुई (entangled) अवस्था उत्पन्न करती है जहाँ परमाणुओं को इस तरह से 'स्क्वीज' किया गया था कि विशिष्ट दिशाओं में यादृच्छिक शोर (random noise) न्यूनतम हो गया। इसके बाद शोधकर्ताओं ने पूरे बादल के सामूहिक गुणों को मापा, और यह देखा कि परमाणु उनकी तीन संभावित आंतरिक अवस्थाओं के बीच कैसे वितरित हैं।
उनकी खोज की कुंजी एक गणितीय परीक्षण थी, जिसे 'बेल विटनेस' (Bell witness) कहा जाता है, जिसे सरल दो-अवस्था वाले सह-संबंधों और अधिक जटिल तीन-अवस्था वाले सह-संबंधों के बीच अंतर करने के लिए डिज़ाइन किया गया था। यदि परमाणु साधारण दो-अवस्था वाली प्रणालियों की तरह व्यवहार कर रहे होते, तो उनके मापन के परिणाम एक विशिष्ट संख्यात्मक सीमा के भीतर रहते। हालाँकि, रुबिडियम बादल से एकत्र किए गए डेटा ने स्पष्ट रूप से इस सीमा को पार कर लिया, जो कि किसी भी दो-अवस्था वाले कणों के संग्रह द्वारा कभी भी प्राप्त की जाने वाली सीमा से काफी नीचे चला गया। शोधकर्ताओं ने गणना की कि देखे गए परिणामों को उत्पन्न करने के लिए, बादल में लगभग आधे परमाणुओं को वास्तविक तीन-स्तरीय प्रणालियों के रूप में वर्णित किया जाना चाहिए। यह निष्कर्ष इस संभावना को खारिज करता है कि देखे गए सह-संबंध केवल साधारण दो-अवस्था वाले उलझाव का एक जटिल संस्करण थे। इसके बजाय, यह पुष्टि करता है कि बादल में एक समृद्ध, उच्च-आयामी क्वांटम संरचना थी जो परमाणुओं की स्पिन-1 प्रकृति के प्रति अंतर्निहित है।
यह उपलब्धि महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सिद्ध करती है कि केवल सामूहिक मापन का उपयोग करके मैक्रोस्कोपिक (विशाल) प्रणालियों में उच्च-आयामी क्वांटम सह-संबंधों का पता लगाया जा सकता है। पिछले कई प्रयोगों में, ऐसे जटिल क्वांटम अवस्थाओं को सत्यापित करने के लिए एक-एक करके व्यक्तिगत कणों को नियंत्रित करने और मापने की क्षमता की आवश्यकता होती थी, जो कि दसियों हज़ार परमाणुओं वाले बादलों के लिए एक असंभव कार्य है। यहाँ, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि समूह को समग्र रूप से देखकर, वे व्यक्तिगत परमाणुओं को देखे बिना क्वांटम संबंधों की विमा (dimensionality) को प्रमाणित कर सकते हैं। प्रयोग ने दो विशिष्ट दिशाओं में एक साथ 'स्क्वीजिंग' के महत्व को भी रेखांकित किया, जो तीन-स्तरीय सह-संबंधों की प्रकृति को प्रकट करने के लिए एक आवश्यक स्थिति थी। जब शोधकर्ताओं ने जानबूझकर सिस्टम की अपनी पूर्ण त्रि-आयामी संरचना तक पहुँचने की क्षमता को हटा दिया, तो विशेष क्वांटम उल्लंघन समाप्त हो गया, जिससे पुष्टि हुई कि यह प्रभाव स्पिन-1 परमाणुओं की पूर्ण जटिलता पर निर्भर था।
यह कार्य स्पिनर बोस-आइंस्टीन कंडेंसेट को बड़े, परस्पर क्रिया करने वाले प्रणालियों में क्वांटम सिद्धांत की सीमाओं का पता लगाने के लिए एक शक्तिशाली मंच के रूप में स्थापित करता है। यह दर्शाता है कि क्वांटम यांत्रिकी द्वारा अनुमानित अजीब, गैर-स्थानीय संबंध केवल सरल बाइनरी प्रणालियों तक सीमित नहीं हैं, बल्कि वे अधिक जटिल, बहु-स्तरीय वातावरण में भी फल-फूल सकते हैं। यह भौतिकी के आधारों के परीक्षण के लिए नए मार्ग खोलता है और क्वांटम सेंसिंग या सूचना प्रसंस्करण के बेहतर तरीकों की ओर ले जा सकता है जो मानक क्यूबिट-आधारित प्रौद्योगिकियों की क्षमताओं से परे हैं। यह दिखाकर कि स्थूल (coarse-grained) माप उच्च-आयामी क्वांटम संसाधनों को प्रमाणित करने के लिए पर्याप्त हैं, यह अध्ययन मैक्रोस्कोपिक दुनिया में क्वांटम सह-संबंधों की समृद्ध, बहु-परतीय संरचना की जांच करने के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है।
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