Dynamics-based nonclassicality witness under dissipative dynamics
यह शोध पत्र हार्मोनिक ऑसिलेटर्स के लिए त्सिरेलसन (Tsirelson) के डायनेमिक्स-आधारित नॉनक्लासिकलिटी विटनेस को मोयाल-विग्नर (Moyal-Wigner) फॉर्मलिज्म का उपयोग करके ओपन क्वांटम सिस्टम्स तक विस्तारित करता है ताकि क्लासिकल बाउंड में डिसिपेशन-डिपेंडेंट शिफ्ट्स को व्युत्पन्न किया जा सके, जिससे थर्मल रिलैक्सेशन, प्योर डीफेज़िंग और कैलडेरा-लेगेट (Caldeira-Leggett) मॉडल्स के तहत वैधता थ्रेशोल्ड स्थापित किया जा सके।
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क्वांटम भौतिकी के शांत कोनों में, वैज्ञानिक लगातार परमाणुओं की विचित्र, संभाव्यता वाली दुनिया और हमारे रहने वाली ठोस, पूर्वानुमेय दुनिया के बीच एक रेखा खींचने की कोशिश कर रहे हैं। इस प्रयास का एक प्रमुख हिस्सा "नॉनक्लासिकलिटी" (गैर-शास्त्रीयता) की जांच करना है, जो एक फैंसी तरीका है यह कहने का कि: "क्या यह प्रणाली उस तरह से व्यवहार कर रही है जो साधारण पदार्थ के लिए असंभव है?" इस व्यवहार को पहचानने का सबसे विश्वसनीय तरीकों में से एक विग्नर फंक्शन (Wigner function) नामक एक गणितीय मानचित्र को देखना है। इस मानचित्र को एक कण की संभावित स्थितियों और गतियों के स्थलाकृतिक चार्ट (topographical chart) के रूप में कल्पना करें। शास्त्रीय दुनिया में, यह मानचित्र हमेशा चिकना और सकारात्मक होता है, जैसे पहाड़ियों और घाटियों का एक परिदृश्य। हालाँकि, क्वांटम दुनिया में, यह मानचित्र शून्य से नीचे जा सकता है, जिससे "नकारात्मक" क्षेत्र बनते हैं जिनका हमारे दैनिक अनुभव में कोई भौतिक समकक्ष नहीं है। इन नकारात्मक ढलानों को खोजना उन उंगलियों के निशान को खोजने जैसा है जो यह प्रमाणित करते हैं कि प्रणाली वास्तव में क्वांटम है।
वर्षों से, शोधकर्ता इन उंगलियों के निशानों को खोजने के लिए एक चतुर परीक्षण का उपयोग करते रहे हैं, जिसमें पूरे परिदृश्य का मानचित्रण करने की आवश्यकता नहीं होती, जो कि अविश्वसनीय रूप से कठिन होगा। यह परीक्षण, जिसे विशेष रूप से पूरी तरह से अलग-थलग प्रणालियों के लिए प्रस्तावित किया गया था, एक कण को आगे-पीछे दोलन करने के लिए देखते हुए और एक विशिष्ट समय पर उसकी स्थिति की जांच करते हुए शामिल है। यदि कण का व्यवहार एक सरल ज्यामितीय नियम का उल्लंघन करता है, तो यह उन मायावी नकारात्मक क्षेत्रों के अस्तित्व को सिद्ध करता है। हालाँकि, इसमें एक बड़ी समस्या है: वास्तविक दुनिया में, कुछ भी पूरी तरह से अलग-थलग नहीं होता है। प्रत्येक कण अपने वातावरण के साथ अंतःक्रिया करता है, जिससे ऊर्जा कम होती है या गर्मी और शोर से हलचल होती है। 'डिसिपेशन' (ऊर्जा क्षय) के रूप में जानी जाने वाली यह अंतःक्रिया, नाजुक क्वांटम विशेषताओं को मिटाने का काम करती है, मानचित्र को धुंधला करती है और नकारात्मक ढलानों को देखना कठिन बना देती है। अब तक, मानक परीक्षण ने एक आदर्श, शोर-मुक्त निर्वात (vacuum) की धारणा ली थी, जो वास्तविक प्रयोगों में शायद ही कभी मौजूद होता है।
सिंगापुर के सेंटर फॉर क्वांटम टेक्नोलॉजीज के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस परीक्षण को प्रयोगशाला की अव्यवस्थपूर्ण, शोर भरी वास्तविकता में काम करने के लिए अपडेट किया है। उन्होंने एक महत्वपूर्ण प्रश्न पूछा: यदि एक कण को वातावरण द्वारा उकसाया जा रहा है, तो क्या "शास्त्रीय" व्यवहार के लिए नियम बदल जाता है? और यदि ऐसा है, तो एक क्वांटम प्रणाली कितनी शोर सहन कर सकती है इससे पहले कि वह शास्त्रीय एक से अविभेद्य हो जाए? इस उत्तर के लिए, उन्होंने परिवेश के साथ कणों के अंतःक्रिया करने के तीन सामान्य तरीकों का मॉडल तैयार किया: थर्मल रिलैक्सेशन (जहाँ एक कण हीट बाथ के साथ ऊर्जा का आदान-प्रदान करता है), प्योर डीफेजिंग (जहाँ कण की लय बिना ऊर्जा खोए बाधित होती है), और क्वांटम ब्राउनियन मोशन (जहाँ यादृच्छिक बल कण को इधर-उधर धकेलते हैं)।
शोधकर्ताओं ने पाया कि शोर की उपस्थिति खेल के नियमों को मौलिक रूप से बदल देती है। मूल, पूर्ण संस्करण में, एक शास्त्रीय प्रणाली अधिकतम स्कोर जो प्राप्त कर सकती थी, वह एक निश्चित संख्या थी। नया अध्ययन दिखाता है कि जब शोर पेश किया जाता है, तो एक शास्त्रीय प्रणाली के लिए यह अधिकतम स्कोर वास्तव में बढ़ जाता है। यह ऐसा है जैसे शोर शास्त्रीय कणों को थोड़ा लाभ देता है, जिससे वे निर्वात की तुलना में क्वांटम व्यवहार की अधिक बारीकी से नकल कर पाते हैं। फलस्वरूप, यह सिद्ध करने के लिए कि एक प्रणाली वास्तव में क्वांटम है, वैज्ञानिकों को अब पहले की तुलना में उच्च स्कोर का लक्ष्य रखना होगा। शोधकर्ताओं ने ठीक से गणना की कि प्रत्येक प्रकार के शोर के लिए यह लक्ष्य कितना ऊंचा होना चाहिए। उन्होंने पाया कि कुछ प्रकार के शोर के लिए, जैसे थर्मल रिलैक्सेशन की यादृच्छिक हलचल, शोर की थोड़ी सी मात्रा के साथ ही शास्त्रीय सीमा लगभग तुरंत ऊपर उछल जाती है। इसका अर्थ है कि एक शोर भरे वातावरण में, गैर-शास्त्रीयता को सिद्ध करना बहुत कठिन हो जाता है क्योंकि "शास्त्रीय" कहलाने के लिए जो पैमाना था, वह ऊपर खिसक गया है।
हालाँकि, यह कहानी केवल कठिनाई की नहीं है। टीम ने प्रयोगों के लिए एक अधिक व्यावहारिक थ्रेशोल्ड (सीमा) की भी पहचान की। जबकि शास्त्रीयता की सख्त परिभाषा को हराना बहुत कठिन हो जाता है, एक थोड़ी ढीली परिभाषा—जो विशेष रूप से विग्नर मानचित्र में नकारात्मक मूल्यों की उपस्थिति पर केंद्रित है—शोर के व्यापक स्तरों के लिए भी सुलभ बनी रहती है। उन्होंने दिखाया कि शुद्ध डीफेजिंग जैसे कुछ प्रकार के शोर के लिए, प्रमाणित क्षेत्र (certifiable region) कभी पूरी तरह से बंद नहीं होता है, जिसका अर्थ है कि एक क्वांटम प्रणाली अभी भी सैद्धांतिक रूप से शास्त्रीय सीमा से बेहतर प्रदर्शन कर सकती है, बशर्ते कि प्रणाली को सही ढंग से तैयार किया गया हो। हालाँकि, जैसे-जैसे शोर बढ़ता है, इस जीत का अंतर काफी कम हो जाता है; शोर की शक्ति के साथ जो घटता है वह उल्लंघन का आकार है, न कि प्रमाणन की मौलिक संभावना।
यह अध्ययन प्रयोगकर्ताओं के लिए दिशा-निर्देशों का एक नया सेट प्रदान करता है। अपने परिणामों का न्याय करने के लिए एक एकल, निश्चित नियम का उपयोग करने के बजाय, उन्हें अब अपने प्रयोग के विशिष्ट शोर वातावरण के आधार पर अपनी अपेक्षाओं को समायोजित करना होगा। यदि किसी शोधकर्ता को पता है कि उनकी प्रणाली थर्मल शोर के अधीन है, तो उन्हें यह प्रमाणित करने के लिए एक नया, उच्च थ्रेशोल्ड गणना करनी होगी कि उनकी प्रणाली क्वांटम है। यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि जबकि शोर काम को कठिन बनाता है, यह इसे असंभव नहीं बनाता है। यह समझते हुए कि वातावरण ठीक रूप से क्वांटम व्यवहार को कैसे बदलता है, वैज्ञानिक अब आयन ट्रैप से लेकर सुपरकंडक्टिंग सर्किट जैसे वास्तविक दुनिया के उपकरणों में आत्मविश्वास से क्वांटम हस्ताक्षरों की पहचान कर सकते हैं। यह कार्य यह सुनिश्चित करता है कि क्वांटम हस्ताक्षरों की खोज मजबूत बनी रहे, भले ही प्रयोगशाला सैद्धांतिक निर्वात की पूर्ण अलगाव से दूर हो।
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