Network steering with arbitrarily low detection efficiency of any entangled measurement

क्वांटम यांत्रिकी की विचित्र दुनिया में, कण इस तरह से एक-दूसरे से जुड़ सकते हैं जो हमारे रोजमर्रा के अनुभवों को चुनौती देता है। जब दो कण इस गहरे संबंध को साझा करते हैं, जिसे एंटैंगलमेंट (entanglement) कहा जाता है, तो एक को मापने से तुरंत दूसरे के बारे में जानकारी मिल जाती है, चाहे वे एक-दूसरे से कितनी भी दूर क्यों न हों। यह घटना, जिसे क्वांटम नॉनलोकैलिटी (quantum nonlocality) कहा जाता है, केवल एक सैद्धांतिक जिज्ञासा नहीं है; यह भविष्य की तकनीकों जैसे कि अति-सुरक्षित संचार का आधार है। हालाँकि, यह साबित करना कि यह संबंध वास्तविक है और न कि दोषपूर्ण उपकरणों का कोई छल, एक बहुत बड़ी बाधा रही है। बिना किसी खामी (loophole) के इसे प्रदर्शित करने के लिए, वैज्ञानिकों को ऐतिहासिक रूप से इतने संवेदनशील डिटेक्टरों की आवश्यकता थी जिन्हें परम शून्य (absolute zero) के करीब के तापमान तक ठंडा करना पड़ता था, एक ऐसी आवश्यकता जिसने इन प्रयोगों को विशेष प्रयोगशालाओं तक सीमित रखा था। चुनौती यह थी कि यदि कोई डिटेक्टर कुछ कणों को भी मिस कर देता है, तो संशयवादी यह तर्क दे सकते हैं कि छूटे हुए डेटा ने परिणामों के लिए एक सरल, शास्त्रीय (classical) स्पष्टीकरण को छिपा लिया है।

गडांस्क विश्वविद्यालय (University of Gdansk) के एक शोधकर्ता ने अब इस सख्त आवश्यकता को पूरी तरह से दरकिनार करने का एक तरीका खोज लिया है। प्रयोग के सेटअप को पुनर्व्यवस्थित करके, उन्होंने प्रदर्शित किया कि 'क्वांटम स्टीयरिंग' (quantum steering)—एक विशिष्ट प्रकार का संबंध जहाँ एक पक्ष दूसरे की स्थिति को प्रभावित कर सकता है—इसे अत्यधिक अक्षम डिटेक्टरों के साथ भी सिद्ध किया जा सकता है। उनका कार्य दिखाता है कि यदि क्वांटम कणों को उत्पन्न करने वाले स्रोत पर्याप्त उच्च गुणवत्ता के हैं, तो प्रयोग किसी भी स्तर की डिटेक्शन के साथ सफल हो सकता है, चाहे वह कितनी भी कम क्यों न हो। इसका अर्थ है कि वह महंगा, सुपर-कूल्ड उपकरण जिसे पहले आवश्यक माना जाता था, वास्तव में आवश्यक नहीं है। इसके बजाय, शोधकर्ता ने दिखाया कि स्रोतों के एक नेटवर्क और एक विशिष्ट प्रकार के माप का उपयोग करके, क्वांटम यांत्रिकी के नियमों को सामान्य, कमरे के तापमान वाले डिटेक्टरों का उपयोग करके सत्यापित किया जा सकता है, जिससे इन प्रयोगों के बारे में सबसे निरंतर संदेहों के दरवाजे प्रभावी रूप से बंद हो जाते हैं।

इस सफलता का मूल 'स्वैप-स्टीयरिंग' (swap-steering) नामक एक नए दृष्टिकोण में निहित है। एक पारंपरिक प्रयोग में, एलिस (Alice) और बॉब (Bob), आपस में जुड़े हुए कणों के एक जोड़े को साझा करते हैं। इस संबंध को वास्तविक साबित करने के लिए, उन्हें अपने कणों को उच्च सटीकता के साथ मापना होता है। यदि बॉब का डिटेक्टर अक्सर एक कण को दर्ज करने में विफल रहता है, तो डेटा अविश्वसनीय हो जाता है। गडांस्क के शोधकर्ता ने कई स्वतंत्र स्रोतों का एक नेटवर्क पेश करके खेल बदल दिया। कल्पना कीजिए कि एक सेटअप जहाँ कई स्वतंत्र स्रोत एलिस और बॉब दोनों को कण भेजते हैं। बॉब प्राप्त होने वाले कणों पर एक एकल, जटिल माप करता है, जबकि एलिस, जिसे सटीक उपकरण रखने के लिए विश्वसनीय माना जाता है, अपने कणों को विभिन्न तरीकों से मापती है। जादू बीच में होता है: बॉब का माप प्रभावी रूप से एंटैंगलमेंट को स्रोतों से एलिस की ओर "स्वैप" (swap) कर देता है। यदि बॉब का माप वास्तव में क्वांटम और एंटैंगल्ड है, तो यह एलिस के कणों को एक नई, एंटैंगल्ड अवस्था में धकेलता है, भले ही उसने कभी सीधे बॉब के पक्ष के साथ संपर्क न किया हो।

शोधकर्ता ने सिद्ध किया कि स्वैप-स्टीयरिंग प्रभाव सबसे आम प्रयोगात्मक दोष: छूटे हुए डिटेक्शन (missed detections) के प्रति मजबूत है। मानक परीक्षणों में, यदि एक डिटेक्टर एक कण को मिस कर देता है, तो पूरा प्रमाण ढह जाता है। यहाँ, हालाँकि, शोधकर्ता ने दिखाया कि जब तक कण उत्पन्न करने वाले स्रोत पर्याप्त शुद्ध हैं, तब तक प्रमाण बना रहता है, भले ही डिटेक्टर केवल कणों के एक बहुत छोटे हिस्से को ही पकड़ पाता हो। उन्होंने गणना की कि एक विशिष्ट प्रकार के माप के लिए, स्रोतों को लगभग 81 प्रतिशत शुद्ध होना चाहिए। शुद्धता का यह स्तर वर्तमान तकनीक की पहुँच के भीतर है, जिसका अर्थ है कि प्रयोग को अतीत के असंभव मानकों की आवश्यकता नहीं है। परिणाम यह है कि "डिटेक्शन लूपहोल" (detection loophole), जिसने दशकों से क्वांटम प्रयोगों को परेशान किया है, उसे कमरे के तापमान पर काम करने वाले साधारण, किफायती डिटेक्टरों का उपयोग करके बंद किया जा सकता है।

यह निष्कर्ष "फ्री-विल लूपहोल" (free-will loophole) नामक दूसरे बड़े अवरोध को भी संबोधित करता है। कई प्रयोगों में, यह सुनिश्चित करने के लिए कि कोई गुप्त संकेत परिणाम को प्रभावित नहीं कर रहा है, मापों के लिए सेटिंग्स को यादृच्छिक (random) और स्वतंत्र रूप से चुना जाना चाहिए। इसके लिए आमतौर पर जटिल, उच्च-गति वाले रैंडम नंबर जनरेटरों की आवश्यकता होती है। स्वैप-स्टीयरिंग परिदृश्य में, क्योंकि एलिस विश्वसनीय है और अपने पक्ष पर पूर्ण सेट माप करती है, इन जटिल रैंडम जनरेटरों की आवश्यकता समाप्त हो जाती है। सेटअप स्वयं यह सुनिश्चित करता है कि परिणामों को पूर्व-निर्धारित योजना द्वारा बनाया नहीं जा सकता है। शोधकर्ता ने प्रदर्शित किया कि पूर्ण स्रोतों के साथ, बॉब की ओर किसी भी एंटैंगल्ड माप से, डिटेक्टर कितना भी अक्षम क्यों न हो, ऐसे परिणाम उत्पन्न होंगे जो शास्त्रीय भौतिकी द्वारा समझाए जाने के लिए असंभव हैं।

इस कार्य के निहितार्थ क्वांटम प्रौद्योगिकी के भविष्य के लिए महत्वपूर्ण हैं। यह दिखाकर कि उच्च-दक्षता वाले डिटेक्टर क्वांटम नॉनलोकैलिटी को सिद्ध करने के लिए एक पूर्व शर्त नहीं हैं, शोधकर्ता ने अधिक सुलभ और मजबूत प्रयोगों के द्वार खोल दिए हैं। टीम ने एक गणितीय उपकरण का निर्माण किया, जिसे 'विटनेस' (witness) कहा जाता है, ताकि यह पता लगाया जा सके कि क्या कोई माप वास्तव में एंटैंगल्ड है। उन्होंने दिखाया कि यह उपकरण तब भी काम करता है जब डेटा अधूरा हो। अपने विश्लेषण में, उन्होंने पाया कि दो कणों वाले एक विशिष्ट एंटैंगल्ड माप के लिए, स्रोत की गुणवत्ता का महत्वपूर्ण थ्रेशोल्ड लगभग 0.81 है। यह संख्या महत्वपूर्ण है क्योंकि यह पुष्टि करती है कि वर्तमान, वास्तविक-दुनिया के स्रोत इस प्रयोग को सफल बनाने के लिए पर्याप्त अच्छे हैं। शोधकर्ता ने इसे केवल सैद्धांतिक रूप से सुझाव नहीं दिया; उन्होंने इसे सत्यापित करने के लिए एक ठोस विधि प्रदान की, यह सिद्ध करते हुए कि क्वांटम दुनिया को सबसे कठिन तकनीकी मांगों के बिना भी देखा जा सकता है।

अंततः, यह शोध प्रमाण के बोझ को डिटेक्टर से हटाकर स्रोत पर स्थानांतरित कर देता है। यह मांगकर कि हर एक कण को पकड़ा जाए, इसके बजाय प्रयोग यह मांग करता है कि भेजे जा रहे कण उच्चतम संभव गुणवत्ता के हों। यदि स्रोत इस कार्य के लिए तैयार हैं, तो एलिस और बॉब के बीच का संबंध निर्विवाद हो जाता है, भले ही बॉब का डिटेक्टर मुश्किल से काम कर रहा हो। यह अंतर्दृष्टि व्यावहारिक क्वांटम नेटवर्क की दिशा में मार्ग को सरल बनाती है, जहाँ सुरक्षित संचार और वितरित कंप्यूटिंग इन मौलिक संबंधों पर निर्भर करती है। यह कार्य बताता है कि लूपहोल-मुक्त क्वांटम इंटरनेट का सपना पहले की तुलना में अधिक निकट है, जो सुपर-कूल्ड सुपरकंप्यूटरों से नहीं, बल्कि प्रकाश स्रोतों की स्थिर, विश्वसनीय गुणवत्ता से प्राप्त किया जा सकता है।