Quantum Simulations of Two-Dimensional Non-Abelian Adjoint String Breaking

उप-परमाणु दुनिया में, कण अलगाव में अस्तित्व में नहीं होते; वे बल के अदृश्य धागों द्वारा एक साथ बंधे होते हैं। जब उच्च-ऊर्जा वाले कण आपस में टकराते हैं, तो वे इन धागों को तोड़ सकते हैं, जिससे खिंचते हुए बल में संचित ऊर्जा से नए कण उत्पन्न होते हैं। यह प्रक्रिया, जिसे हैड्रोनाइजेशन (hadronization) कहा जाता है, इस बात का कारण है कि हम कच्चे ऊर्जा के अराजक छिड़काव के बजाय स्थिर पदार्थ देखते हैं। दशकों से, भौतिकविदों ने यह अनुमान लगाने के लिए कंप्यूटर मॉडल पर भरोसा किया है कि यह कैसे होता है, लेकिन इसमें शामिल गणित इतना जटिल है कि सबसे शक्तिशाली शास्त्रीय सुपरकंप्यूटर भी पूर्ण सटीकता के साथ इन बलों के वास्तविक समय के विकास की गणना करने में संघर्ष करते हैं। कठिनाई इस तथ्य में निहित है कि ये नियम कैसे बदलते हैं यह इस पर निर्भर करता है कि कण कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, जिससे संभावनाओं का एक ऐसा जाल बन जाता है जिसका पता लगाना तेजी से कठिन होता जाता है। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिक एक नए प्रकार की मशीन की ओर मुड़ रहे हैं: क्वांटम कंप्यूटर। पारंपरिक कंप्यूटरों के विपरीत जो सूचना को एक सीधी रेखा में संसाधित करते हैं, क्वांटम कंप्यूटर इन जटिल प्रणालियों का सीधे अनुकरण करने के लिए उप-परमाणु दुनिया के अजीब गुणों का उपयोग करते हैं, जो ब्रह्मांड के मौलिक निर्माण खंडों को समझने का एक संभावित मार्ग प्रदान करते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक विशिष्ट, कठिन प्रकार के बल संपर्क जिसे "एडजॉइंट स्ट्रिंग" (adjoint string) कहा जाता है, का अनुकरण करने के लिए एक क्वांटम कंप्यूटर का उपयोग करके इस लक्ष्य की ओर एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। कण टकरावों का वर्णन करने वाले मानक मॉडलों में, वैज्ञानिक अक्सर ग्लूऑन्स (gluons)—जो प्रबल बल को ले जाने वाले कण हैं—को विपरीत आवेशों के सरल जोड़े के रूप में मानते हैं। हालाँकि, वास्तव में, ग्लूऑन्स अपनी अनूठी संस्थाएं हैं, जो एक दूसरे के साथ ऐसे तरीकों से परस्पर क्रिया करने में सक्षम हैं जो बल के जटिल, आत्मनिर्भर लूप बनाते हैं। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि जब ऐसे दो ग्लूऑन्स के बीच बल की एक स्ट्रिंग (डोरी) बनाई जाती है, तो क्या होता है, न कि विपरीत आवेशों के एक साधारण जोड़े के बीच। उन्होंने इन बलों का वर्णन करने वाले सिद्धांत का एक सरलीकृत संस्करण एक त्रिकोणीय ग्रिड पर बनाया, जो एक आकार था जिसे उनके द्वारा उपयोग किए जा रहे क्वांटम प्रोसेसर के भौतिक लेआउट में फिट होने के लिए चुना गया था। मशीन के भौतिक क्यूबिट्स (qubits) पर बल के अदृश्य धागों को मैप करके, उन्होंने एक डिजिटल प्रयोगशाला बनाई जहाँ वे वास्तविक समय में बल की एक स्ट्रिंग के विकास को देख सकते थे।

प्रयोग न्यूयॉर्क में स्थित एक क्वांटम प्रोसेसर पर आयोजित किया गया था, जिसमें 128 बिंदुओं के ग्रिड का अनुकरण करने के लिए इसके सभी 156 उपलब्ध क्यूबिट्स का उपयोग किया गया था। शोधकर्ताओं ने एक बल की लंबी, सीधी रेखा बनाकर शुरुआत की, जो एक खिंचे हुए रबर बैंड के समान थी, और फिर यह देखा कि समय के साथ यह कैसे बदलती है। वे दो विशिष्ट व्यवहारों की तलाश में थे: स्ट्रिंग या तो केवल डगमगा सकती है या आगे-पीछे दोलन कर सकती है, या यह टूटकर अलग हो सकती है, जिससे ऊर्जा के छोटे पैकेट निकलते हैं जिन्हें 'ग्लूबॉल्स' (glueballs) कहा जाता है। सरल, गैर-परस्पर क्रिया करने वाले बलों की दुनिया में, कोई उम्मीद कर सकता है कि स्ट्रिंग केवल कंपन करेगी या एक अनुमानित तरीके से टूटेगी। हालाँकि, सिमुलेशन ने एक अधिक जटिल कहानी का खुलासा किया। प्रक्रिया के बिल्कुल प्रारंभ में, स्ट्रिंग एक मजबूत, लयबद्ध गति के साथ कंपन कर रही थी। लेकिन जैसे-जैसे समय बीता, यह लयबद्ध गति फीकी पड़ गई, और स्ट्रिंग टूटने लगी, जिससे ऊर्जा के छोटे पैकेट निकलने लगे।

कंपन से टूटने का यह बदलाव एक महत्वपूर्ण खोज है। शोधकर्ताओं ने पाया कि घटनाओं का यह विशिष्ट क्रम—एक सुसंगत कंपन की अवधि के बाद अचानक टूटना—उस बल की जटिल, नॉन-अबेलियन (non-Abelian) प्रकृति का एक सीधा संकेत है जिसका अध्ययन किया जा रहा है। बल के सरल, अधिक बुनियादी सिद्धांतों में, यह संक्रमण नहीं होता है; व्यवहार सुसंगत रहता है। तथ्य यह है कि क्वांटम कंप्यूटर ने इस विशिष्ट क्रॉसओवर को सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित किया, यह सुझाव देता है कि मशीन केवल इसके एक सरल संस्करण की नकल नहीं कर रही है, बल्कि प्रबल परमाणु बल के अद्वितीय, जटिल नियमों को निष्ठापूर्वक पकड़ रही है। टीम ने अपने परिणामों की तुलना एक अलग प्रकार के शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ की, जिसे टेंसर नेटवर्क (tensor network) के रूप में जाना जाता है, और पाया कि क्वांटम परिणाम बारीकी से मेल खाते थे, भले ही वर्तमान क्वांटम हार्डवेयर में अंतर्निहित शोर और त्रुटियों को ध्यान में रखा गया हो।

अध्ययन ने सिमुलेशन का परीक्षण विभिन्न स्थितियों के तहत भी किया, यह देखने के लिए कि व्यवहार कैसे बदलता है जब बल की शक्ति बदली जाती है। जब बल अधिक मजबूत था, तो कंपन से टूटने का संक्रमण स्पष्ट और विशिष्ट था। जब बल कमजोर था, जो वास्तविक दुनिया में पाए जाने वाली स्थितियों के करीब था, तो स्ट्रिंग बहुत तेजी से टूटी, और प्रारंभिक कंपन कम प्रमुख था। यह इस अपेक्षा के अनुरूप है कि जैसे-जैसे सिमुलेशन वास्तविक भौतिकी के नियमों के करीब पहुंचता है, जटिल प्रतिध्वनि (resonance) जो लंबे समय तक चलने वाले कंपनों की अनुमति देती है, दब जाती है। शोधकर्ता ग्रिड के माध्यम से बहने वाली ऊर्जा और विशिष्ट बिंदुओं पर स्ट्रिंग के टूटने की संभावना को मापकर इन परिवर्तनों को ट्रैक करने में सक्षम थे। उन्होंने त्रुटियों को फ़िल्टर करने के लिए उन्नत तकनीकों का उपयोग किया, यह सुनिश्चित करते हुए कि जो पैटर्न वे देख रहे हैं वे वास्तविक भौतिक घटनाएं हैं न कि केवल मशीन में खराबी।

यह कार्य शुद्ध ऊर्जा से पदार्थ के निर्माण का अध्ययन करने के लिए क्वांटम कंप्यूटरों के उपयोग के लिए एक 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' (सिद्धांत की पुष्टि) का प्रतिनिधित्व करता है। हालांकि सिमुलेशन एक सरलीकृत द्वि-आयामी ग्रिड पर किया गया था और इसमें प्रकृति में पाए जाने वाले सभी कण शामिल नहीं थे, इसने प्रदर्शित किया कि क्वांटम हार्डवेयर अब उन बल स्ट्रिंग्स की जटिल गतिशीलता को संभाल सकता है जो पहले पहुंच से बाहर थे। नॉन-अबेलियन गतिशीलता के विशिष्ट हस्ताक्षर—कंपन से टूटने के अद्वितीय क्रॉसओवर—को देखने की क्षमता भौतिकविदों को एक नया उपकरण प्रदान करती है। यह सुझाव देता है कि निकट भविष्य में, इन मशीनों का उपयोग ग्लूऑन्स के व्यवहार को समझने के लिए किया जा सकता है, जो उच्च-ऊर्जा टकरावों में सटीक भविष्यवाणियों की ओर ले जा सकता है। एक 'एडजॉइंट स्ट्रिंग' के टूटने का सफलतापूर्वक अनुकरण करके, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि क्वांटम कंप्यूटर प्रबल बल के रहस्यों को खोलने लगे हैं, जो हमारे ब्रह्मांड को थामे रखने वाले मौलिक तंत्रों की एक झलक प्रदान करते हैं।