Spin-State Teleportation and Tests of EPR Correlations Using 151 MeV Entangled Protons

उपपरमाणु दुनिया में, प्रोटॉन जैसे कण हमेशा अलग-थलग व्यक्तियों की तरह व्यवहार नहीं करते हैं। कभी-कभी, दो प्रोटॉन इतने गहराई से जुड़ सकते हैं कि वे एक ही क्वांटम अस्तित्व साझा करते हैं, जिसे एंटैंगलमेंट (entanglement) नामक घटना कहा जाता है। इस अवस्था में, एक कण के गुण, जैसे कि उसका स्पिन या आंतरिक कोणीय संवेग, दूसरे से अभिन्न रूप से बंधे होते हैं, चाहे वे एक-दूसरे से कितनी भी दूर चले जाएं। यह जुड़ाव वस्तुओं के अलग होने के बारे में हमारी रोजमर्रा की सहज बुद्धि को चुनौती देता है, फिर भी यह क्वांटम यांत्रिकी की एक स्थापित विशेषता है। वैज्ञानिक लंबे समय से इस बात में रुचि रखते आए हैं कि क्या इस विचित्र लिंक का उपयोग सूचना स्थानांतरित करने के लिए किया जा सकता है। विशेष रूप से, उन्होंने पूछा है कि क्या एक कण की क्वांटम अवस्था को दूसरे में भौतिक रूप से कण को ले जाए बिना स्थानांतरित किया जा सकता है, जिसे टेलीपोर्टेशन (teleportation) कहा जाता है। हालांकि इस अवधारणा को प्रकाश और परमाणुओं के साथ प्रदर्शित किया गया है, लेकिन प्रोटॉन—जो परमाणु नाभिक के भारी निर्माण खंड हैं—के साथ इसका परीक्षण करना एक अनूठी चुनौती पेश करता है। प्रोटॉन को उन सटीक ऊर्जाओं और कोणों पर नियंत्रित करना कठिन है जो उनके नाजुक क्वांटम लिंक को बनाए रखने के लिए आवश्यक हैं, और इसे करने के पिछले प्रयास बहुत कम गति तक सीमित थे जहाँ कण बहुत अधिक ऊर्जा खो देते हैं जिससे वे उपयोगी नहीं रह जाते।

पोलैंड में जेगैलोनियन यूनिवर्सिटी के एक शोधकर्ता ने अब इस बात की खोज की है कि क्या यह क्वांटम टेलीपोर्टेशन बहुत अधिक गति वाले प्रोटॉन, विशेष रूप से 151 MeV की ऊर्जा पर काम कर सकता है। उनका कार्य, जो हाल ही के एक अध्ययन में विस्तृत है, एक जटिल तीन-प्रोटॉन प्रणाली की जांच करता है ताकि यह देखा जा सके कि क्या क्वांटम यांत्रिकी के नियम इन अधिक ऊर्जावान स्थितियों के तहत एक प्रोटॉन की स्पिन अवस्था के हस्तांतरण की अनुमति देते हैं। शोधकर्ता ने पाया कि हालांकि उच्च-ऊर्जा वाला वातावरण एंटैंगलमेंट की प्रकृति को बदल देता है, लेकिन यह टेलीपोर्टेशन की संभावना को नष्ट नहीं करता है। हालांकि, इसे प्राप्त करने के लिए एक विशिष्ट और कुछ हद तक प्रति-सहज (counterintuitive) सेटअप की आवश्यकता होती है। दो प्रोटॉनों के बीच सरल टकराव पर निर्भर रहने वाले पिछले प्रयोगों के विपरीत, यह नया दृष्टिकोण प्रस्तावित करता है कि एंटैंगल्ड जोड़ी का निर्माण ड्यूटेरॉन (deuteron)—हाइड्रोजन नाभिक के एक भारी रूप—के टूटने से किया जाए। यह विशिष्ट प्रतिक्रिया, जो सटीक ज्यामितीय स्थितियों के तहत होती है, यह सुझाव देती है कि प्रोटॉनों की एक ऐसी जोड़ी उत्पन्न करती है जो इस तरह एंटैंगल्ड है कि उनमें से एक अपने साथी को अपनी क्वांटम अवस्था स्थानांतरित करने के लिए एक लक्ष्य के साथ परस्पर क्रिया कर सके।

प्रयोग का मुख्य भाग घटनाओं के एक क्रम में शामिल है जो इस एंटैंगल्ड जोड़ी के निर्माण के साथ शुरू होता है। शोधकर्ता ड्यूटेरॉन वाले लक्ष्य पर प्रोटॉन की एक बीम दागने का प्रस्ताव करता है। जब एक उच्च-ऊर्जा वाला प्रोटॉन ड्यूटेरॉन से टकराता है, तो वह ड्यूटेरॉन को तोड़ने का कारण बन सकता है, जिससे एक न्यूट्रॉन और दो प्रोटॉन निकलते हैं। आने वाली बीम के कोण और ऊर्जा को सावधानीपूर्वक चुनकर, वैज्ञानिक का लक्ष्य यह सुनिश्चित करना है कि निकलने वाले दोनों प्रोटॉन समान संवेग के साथ उत्पन्न हों और एक विशिष्ट एंटैंगल्ड अवस्था में बंधे हों। इस अवस्था में, दो प्रोटॉन इतने मजबूती से सह-संबंधित होते हैं कि एक के स्पिन को मापने से तुरंत दूसरे का स्पिन पता चल जाता है। शोधकर्ता इन एंटैंगल्ड प्रोटॉनों में से एक को ध्रुवीकृत (polarized) हाइड्रोजन से बने दूसरे लक्ष्य से टकराता है, जहाँ प्रोटॉन एक विशिष्ट दिशा में संरेखित होते हैं। उड़ते हुए प्रोटॉन और लक्ष्य प्रोटॉन के बीच की परस्पर क्रिया टेलीपोर्टेशन प्रक्रिया के लिए ट्रिगर के रूप में कार्य करती है।

शोधकर्ता ने पाया कि यह परस्पर क्रिया लक्ष्य प्रोटॉन के ध्रुवीकरण, या स्पिन ओरिएंटेशन, को एंटैंगल्ड जोड़ी के दूसरे सदस्य में स्थानांतरित कर देती है, लेकिन यह परिणाम केवल तभी सख्ती से मान्य है, या सबसे अच्छा अनुमानित है, जब प्रकीर्णन (scattering) प्रयोगशाला फ्रेम में लगभग 45 डिग्री के एक बहुत ही विशिष्ट कोण पर होता है। ऐसा तब होता है जब दूसरा प्रोटॉन लक्ष्य को छूता भी नहीं है। यह प्रक्रिया इसलिए काम करती है क्योंकि दोनों उड़ते प्रोटॉनों के बीच प्रारंभिक एंटैंगलमेंट इतना मजबूत है कि पहले प्रोटॉन की अवस्था में परिवर्तन तुरंत दूसरे में प्रतिबिंबित होता है। अध्ययन से पता चलता है कि इस हस्तांतरण को साफ और प्रभावी बनाने के लिए, प्रकीर्णन इस विशिष्ट कोण पर होना चाहिए। इस कोण पर, टकराव की क्वांटम यांत्रिकी सरल हो जाती है, जिससे एक एकल प्रमुख परस्पर क्रिया प्रभावी हो जाती है, जो यह सुनिश्चित करती है कि टेलीपोर्टेशन सटीक हो। यदि कोण थोड़ा भी विचलित होता है, तो हस्तांतरण की स्पष्टता धुंधली होने लगती है, और एंटैगलमेंट अन्य प्रभावों से दूषित हो जाता है।

शोधकर्ता ने यह भी जांचा कि क्या होता है यदि लक्ष्य ध्रुवीकृत नहीं है, जिसका अर्थ है कि लक्ष्य में प्रोटॉन किसी भी विशिष्ट दिशा में संरेखित नहीं हैं। इस परिदृश्य में, उन्होंने पाया कि एंटैंगल्ड प्रोटॉनों में से एक को लक्ष्य से बिखेरना (scattering) उस बिखरे हुए प्रोटॉन में एक ध्रुवीकरण प्रेरित करता है। मजबूत क्वांटम लिंक के कारण, यह प्रेरित ध्रुवीकरण दूसरे, बिना बिखरे हुए प्रोटॉन में भी प्रतिबिंबित होता है। बिना बिखरा हुआ प्रोटॉन, जो बिना किसी ध्रुवीकरण के शुरू हुआ था, अचानक एक स्पिन ओरिएंटेशन प्राप्त कर लेता है जो पहले प्रोटॉन के समान होता है, जिसकी दिशा उनके द्वारा साझा किए गए एंटैंगलमेंट के विशिष्ट प्रकार द्वारा निर्धारित होती है। यह निष्कर्ष प्रसिद्ध आइंस्टीन-पोडोल्स्की-रोजन (Einstein-Podolsky-Rosen) सहसंबंधों को परीक्षण करने का एक सरल तरीका प्रदान करता है, जो इन विचित्र संबंधों का वर्णन करते हैं, क्योंकि इसके लिए पूर्ण टेलीपोर्टेशन सेटअप में उपयोग किए जाने वाले कठिन-से-बनाए-रखने योग्य ध्रुवीकृत लक्ष्य की आवश्यकता नहीं होती है।

हालांकि, इस परिणाम का मार्ग सीधा नहीं था। शोधकर्ता को एक अधिक सीधे तरीके को खारिज करना पड़ा जिसे उच्च-ऊर्जा प्रयोगों के लिए विचार में लिया गया था। उन्होंने दिखाया कि केवल 151 MeV पर दो प्रोटॉनों को टकराकर एक एंटैंगल्ड जोड़ी बनाना टेलीपोर्टेशन के लिए काम नहीं करेगा। उस मानक टकराव में, दो परिणामी प्रोटॉनों में से प्रत्येक के पास आने वाली बीम की आधी ऊर्जा होगी, जो गिरकर लगभग 75.5 MeV हो जाएगी। इस कम ऊर्जा पर, क्वांटम स्थितियाँ जो टेलीपोर्टेशन के लिए आवश्यक हैं, अब मौजूद नहीं रहती हैं। वह प्रमुख परस्पर क्रिया जो टेलीपोर्टेशन को संभव बनाती है, 75.5 MeV पर गायब हो जाती है, जिसका अर्थ है कि प्रक्रिया का दूसरा चरण विफल हो जाएगा। इस अहसास ने शोधकर्ता को सरल दो-प्रोटॉन टकराव विचार को छोड़ने और अधिक जटिल तीन-शरीर टूटने (three-body breakup) की विधि प्रस्तावित करने के लिए मजबूर किया, जहाँ प्रारंभिक टकराव ऊर्जा 151 MeV के सही ऊर्जा स्तर पर एंटैंगल्ड जोड़ी बनाने के लिए पर्याप्त ऊँची है।

प्रोटॉनों के बीच कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, इसके यथार्थवादी मॉडलों का उपयोग करते हुए विस्तृत संख्यात्मक सिमुलेशन के माध्यम से, शोधकर्ता ने पुष्टि की कि उनका प्रस्तावित सेटअप सैद्धांतिक रूप से सुदृढ़ है। उन्होंने प्रोटॉनों की अंतिम अवस्थाओं की गणना की और पाया कि ध्रुवीकरण हस्तांतरण उन कोणों की संकीर्ण खिड़की के भीतर लगभग पूर्ण है जहाँ एंटैगलमेंट सबसे मजबूत होता है। सिमुलेशन ने प्रोटॉनों के बीच की जटिल ताकतों को शामिल किया, जिसमें उनके बीच महसूस होने वाला विद्युत प्रतिकर्षण भी शामिल है, ताकि भविष्यवाणियां सटीक हों। परिणाम दर्शाते हैं कि लक्ष्य प्रोटॉन का ध्रुवीकरण दूर स्थित साथी में निष्ठापूर्वक स्थानांतरित होता है, और ध्रुवीकरण का चिह्न गठित विशिष्ट प्रकार की एंटैंगल्ड अवस्था पर निर्भर करता है। यह कार्य बताता है कि हालांकि तकनीकी बाधाएं महत्वपूर्ण हैं, प्रोटॉन के साथ उच्च ऊर्जा पर क्वांटम टेलीपोर्टेशन के साथ उच्च ऊर्जा पर क्वांटम टेलीपोर्टेशन न केवल संभव है, बल्कि एक स्पष्ट और अनुमानित पथ का अनुसरण करता है।

अध्ययन इस बात पर प्रकाश डालते हुए समाप्त होता है कि यह उच्च-ऊर्जा दृष्टिकोण क्वांटम वास्तविकता की मौलिक प्रकृति का परीक्षण करने के लिए एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है। कम-ऊर्जा शासन से दूर जाकर, जहाँ ऊर्जा हानि एक बड़ी बाधा रही है, शोधकर्ता ने प्रयोग के लिए एक नया मार्ग खोल दिया है। 151 MeV पर इन एंटैंगल्ड अवस्थाओं को उत्पन्न करने और हेरफेर करने की क्षमता क्वांटम यांत्रिकी के अधिक मजबूत परीक्षणों की ओर ले जा सकती है, जो उन सीमाओं से मुक्त हैं जिन्होंने पिछले प्रयासों को बाधित किया है। हालांकि प्रयोग अभी तक प्रयोगशाला में नहीं किया गया है, इस शोध पत्र द्वारा रखी गई सैद्धांतिक नींव इस बात का स्पष्ट खाका प्रदान करती है कि क्या उम्मीद की जाए। यह प्रदर्शित करता है कि क्वांटम दुनिया के अजीब, गैर-स्थानीय (non-local) कनेक्शनों को परमाणु भौतिकी के उच्च-ऊर्जा वातावरण में भी नियंत्रित किया जा सकता है, बशर्ते कि स्थितियों को इतनी सटीकता के साथ सेट किया जाए कि प्रमुख क्वांटम परस्पर क्रियाएं उभर सकें।