Newtonian Gravitational Curvature-Induced Entanglement Generation

गुरुत्वाकर्षण को अक्सर एक सरल, एकसमान खिंचाव के रूप में सोचा जाता है, वह बल जो हमारे पैरों को जमीन पर रखता है और चंद्रमा को उसकी कक्षा में बनाए रखता है। हालाँकि, गुरुत्वाकर्षण एक एकल, स्थिर खिंचाव से कहीं अधिक सूक्ष्म है। क्योंकि गुरुत्वाकर्षण का बल दूरी के साथ कमजोर होता जाता है, इसलिए एक लंबी या चौड़ी वस्तु के ऊपरी हिस्से पर निचले हिस्से की तुलना में थोड़ा अलग खिंचाव महसूस होता है। यह अंतर, जिसे ज्वारीय क्षेत्र (tidal field) या वक्रता (curvature) के रूप में जाना जाता है, गिरने वाली वस्तु को खींचता है और हमारे महासागरों में ज्वार-भाटा पैदा करता है। जबकि वैज्ञानिकों ने पृथ्वी के आकार या भूमिगत चट्टानों के घनत्व को मापने के लिए लंबे समय से इस खिंचाव वाले प्रभाव का उपयोग किया है, एक एकल परमाणु या सूक्ष्म मशीन के पैमाने पर इन नन्हे बदलावों का पता लगाना एक बड़ी चुनौती बना हुआ है। कठिनाई इस तथ्य में निहित है कि अन्य बलों की तुलना में गुरुत्वाकर्षण अविश्वसनीय रूप से कमजोर है, और इसका संकेत गर्मी की अराजक हलचल और वातावरण के शोर द्वारा आसानी से दबा दिया जाता है।

द दशकों से, भौतिकविदों ने यह सोचने पर विचार किया है कि क्या गुरुत्वाकर्षण केवल पदार्थ पर खिंचाव डालने से अधिक कुछ कर सकता है; क्या यह वास्तव में क्वांटम कणों के बीच मौजूद अजीब, अदृश्य संबंधों को प्रभावित कर सकता है? क्वांटम दुनिया में, दो कण "एंटैंगल्ड" (entangled) हो सकते हैं, जिसका अर्थ है कि उनके गुण इतने गहराई से जुड़े होते हैं कि एक को मापने से तुरंत दूसरे की स्थिति का पता चल जाता है, चाहे वे एक-दूसरे से कितनी भी दूर क्यों न हों। कुछ सिद्धांत सुझाव देते हैं कि यदि गुरुत्वाकर्षण स्वयं एक क्वांटम बल है, तो यह दो वस्तुओं के बीच यह एंटैंगलमेंट (entanglement) पैदा कर सकता है। हालाँकि, एक अलग संभावना भी मौजूद है: शायद गुरुत्वाकर्षण को इन कड़ियों को बनाने के लिए एक क्वांटम बल होने की आवश्यकता नहीं है। इसके बजाय, गुरुत्वाकर्षण केवल एक सटीक नियंत्रण नॉब (control knob) के रूप में कार्य कर सकता है, जो एक क्वांटम मशीन के व्यवहार को नियंत्रित करता है जो कणों को जोड़ने का वास्तविक कार्य करती है। यह अंतर महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह साबित करना कि गुरुत्वाकर्षण एक क्वांटम संपर्क को नियंत्रित कर सकता है, ब्रह्मांड कैसे काम करता है इसे समझने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है, भले ही गुरुत्वाकर्षण स्वयं एक शास्त्रीय (classical), गैर-क्वांटम बल बना रहे।

कतर क्वांटम कंप्यूटिंग सेंटर के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब विस्तृत सैद्धांतिक गणनाओं के माध्यम से दिखाया है कि गुरुत्वाकर्षण वक्रता (gravitational curvature) का उपयोग वास्तव में एक हाइब्रिड उपकरण में एंटैंगलमेंट उत्पन्न करने और नियंत्रित करने के लिए किया जा सकता है। उन्होंने दो छोटे क्वांटम बिट्स, या क्यूबिट्स (qubits), जो क्वांटम सूचना की बुनियादी इकाइयाँ हैं, को एक साझा यांत्रिक ऑसिलेटर (mechanical oscillator) के साथ जोड़ने वाले सेटअप का प्रस्ताव दिया। यह ऑसिलेटर अनिवार्य रूप से एक सूक्ष्म स्प्रिंग है जो कंपन कर सकता है। दोनों क्यूबिट्स सीधे एक-दूसरे से बात नहीं करते हैं; इसके बजाय, वे दोनों इस साझा स्प्रिंग को धकेलते और खींचते हैं। जब स्प्रिंग हिलता है, तो वह एक क्यूबिट से दूसरे क्यूबित तक जानकारी ले जाता है, जिससे प्रभावी रूप से उनके बीच एक पुल बन जाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि पास में स्थित एक विशाल वस्तु की उपस्थिति, जो एक गुरुत्वाकर्षण ज्वारीय क्षेत्र बनाती है, इस स्प्रिंग की कठोरता (stiffness) को बदल देती है। कठोरता में यह परिवर्तन स्प्रिंग के कंपन की गति को बदल देता है, जो बदले में यह बदल देता है कि दो क्यूबिट कितने मजबूती से एंटैंगल्ड होते हैं।

यह तंत्र एक सटीक समय संबंधी तकनीक (timing trick) पर निर्भर करता है। जैसे-जैसे क्यूबिट्स स्प्रिंग के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, वे स्प्रिंग को एक लूप में घुमाते हैं। यदि इस परस्पर क्रिया को ठीक उसी क्षण रोका जाता है जब स्प्रिंग एक पूर्ण चक्र पूरा कर लेता है और अपने शुरुआती बिंदु पर वापस आ जाता है, तो स्प्रिंग हिलना बंद कर देता है और क्यूबिट्स से पूरी तरह से अलग हो जाता है। इस सटीक क्षण पर, क्यूबिट्स पूर्ण एंटैंगलमेंट की स्थिति में रह जाते हैं, जो इस परस्पर क्रिया की स्मृति (memory) को संजोए रखते हैं। शोधकर्ताओं ने गणना की कि इस एंटैंगलमेंट की ताकत सीधे गुरुत्वाकर्षण वक्रता पर निर्भर करती है। यदि वक्रता बदलती है, तो स्प्रिंग थोड़ा अलग दर से कंपन करता है, लूप का समय बदल जाता है, और अंतिम एंटैंगलमेंट बदल जाता है। इसका अर्थ यह है कि दो क्यूबिट्स के बीच के एंटैंगलमेंट को मापकर, व्यक्ति उस गुरुत्वाकर्षण वक्रता की ताकत का अनुमान लगा सकता है जिसने परिवर्तन किया था।

इस खोज को जो बात विशेष रूप से मजबूत बनाती है, वह यह है कि यह भौतिक दुनिया की अव्यवस्थित वास्तविकता को कैसे संभालती है। किसी भी वास्तविक प्रयोग में, यांत्रिक स्प्रिंग पूरी तरह से स्थिर नहीं होगा; यह गर्मी के कारण हिल रहा होगा, और क्यूबिट्स पर्यावरणीय शोर के कारण समय के साथ अपने क्वांटम गुणों को खो देंगे। शोधकर्ताओं ने इन खामियों का मॉडल तैयार किया और पाया कि यह एक आश्चर्यजनक लचीलापन दिखाता है। उन्होंने पाया कि यदि स्प्रिंग शुरुआत में गर्म और हलचल वाला है, तो यह प्रारंभिक गर्मी प्रयोग को बर्बाद नहीं करती है। क्योंकि स्प्रिंग चक्र के अंत में अपने शुरुआती बिंदु पर वापस आ जाता है, इसलिए प्रारंभिक गर्मी के प्रभाव पूरी तरह से रद्द हो जाते हैं, जिससे एंटैंगलमेंट बरकरार रहता है। इसका मतलब है कि इस प्रणाली को काम करने के लिए परम शून्य तापमान (absolute zero) तक ठंडा करने की आवश्यकता नहीं है, जो कई अन्य क्वांटम प्रयोगों को करने के लिए अत्यंत कठिन बना देता है।

हालाँकि, यह प्रणाली सभी प्रकार के शोर से अछूती नहीं है। शोधकर्ताओं ने पहचान की कि जहाँ प्रारंभिक गर्मी प्रतिवर्ती (reversible) है, वहीं स्प्रिंग से उसके परिवेश में ऊर्जा का निरंतर रिसाव, जिसे डैम्पिंग (damping) कहा जाता है, एक स्थायी समस्या है। यह रिसाव क्यूबिट्स की अवस्थाओं के बारे में जानकारी को बाहर ले जाता है, जिससे एंटैंगलमेंट धीरे-धीरे धुंधला हो जाता है। इसी तरह, यदि क्यूबिट्स स्वयं पर्यावरणीय शोर के कारण अपनी क्वांटम सुसंगतता (coherence) खो देते हैं, तो सिग्नल फीका पड़ जाता है। अध्ययन से पता चलता है कि प्रयोग की सफलता इस बात पर निर्भर करती है कि ऊर्जा कितनी तेजी से लीक होती है और शोर की दर क्या है, न कि केवल वातावरण के तापमान पर। इन कारकों को सावधानीपूर्वक संतुलित करके, शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि यह प्रणाली अभी भी मापने योग्य एंटैंगलमेंट उत्पन्न कर सकती है, बशर्ते प्रयोग को शोर के बहुत मजबूत होने से पहले एक विशिष्ट समय सीमा के भीतर चलाया जाए।

इसे सेंसिंग के लिए एक व्यावहारिक उपकरण बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने अन्य भ्रमित करने वाले बलों से गुरुत्वाकर्षण सिग्नल को अलग करने का एक तरीका प्रस्तावित किया है। ज्वारीय क्षेत्र बनाने वाली विशाल वस्तु एक समान खिंचाव (uniform pull) भी डालती है, जिसे वक्रता सिग्नल समझ लिया जा सकता है। इस समस्या को हल करने के लिए, उन्होंने एक ऐसी तकनीक का सुझाव दिया जो शोर-रद्द करने वाले हेडफ़ोन (noise-canceling headphones) के समान है, जहाँ प्रयोग को दो थोड़े अलग विन्यासों (configurations) में चलाया जाता है। जब विशाल वस्तु एक स्थिति में बनाम दूसरी स्थिति में होती है, तो परिणामों की तुलना करके, एकसमान खिंचाव रद्द हो जाता है, जिससे केवल बदलते वक्रता का सिग्नल बचता है। यह विभेदात्मक दृष्टिकोण (differential approach) प्रणाली को गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र के ग्रेडिएंट (gradient) के विशिष्ट हस्ताक्षर का पता लगाने की अनुमति देता है, जो एकसमान खिंचाव की तुलना में दूरी के साथ बहुत तेजी से घटता है।

यह कार्य इस बारे में एक महत्वपूर्ण सैद्धांतिक प्रगति का प्रतिनिधित्व करता है कि हम गुरुत्वाकर्षण का उपयोग क्वांटम प्रणालियों को नियंत्रित करने के लिए कैसे कर सकते हैं। यह प्रदर्शित करता है कि गुरुत्वाकर्षण को एंटैंगल्ड करने के लिए एक क्वांटम बल होने की आवश्यकता नहीं है; इसे केवल एक क्वांटम मशीन के सटीक नियंत्रक होने की आवश्यकता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि पूरी प्रक्रिया को सटीक गणितीय सटीकता के साथ वर्णित किया जा सकता है, बिना उन सरलीकृत धारणाओं के जो अक्सर ऐसी प्रणालियों के वास्तविक व्यवहार को छिपा देती हैं। उन्होंने यह भी पहचाना कि यह सेटअप गुरुत्वाकर्षण वक्रता को कितनी सटीकता से माप सकता है, यह दिखाते हुए कि यह क्वांटम यांत्रिकी के नियमों द्वारा अनुमत मौलिक सीमाओं तक पहुँच सकता है।

हालाँकि यह अध्ययन वर्तमान में एक सैद्धांतिक प्रस्ताव है और इसे अभी प्रयोगशाला में बनाया नहीं गया है, फिर भी यह एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है कि ऐसा प्रयोग कैसा दिखेगा। यह आवश्यक स्थितियों, प्रबंधित किए जाने वाले शोर के प्रकारों और किए जाने वाले मापों को रेखांकित करता है। शोधकर्ताओं ने इस बात पर जोर दिया कि उनके परिणाम सटीक गणनाओं और सिमुलेशन पर आधारित हैं, जो पुष्टि करते हैं कि भौतिकी तब भी कायम रहती है जब प्रणाली आदर्श नहीं होती है। यह कार्य गुरुत्वाकर्षण को महसूस करने (sensing) के लिए एक नया मार्ग खोलता है, जो स्थानीय बलों को मापने से हटकर क्वांटम यांत्रिकी के नाजुक, गैर-स्थानीय (nonlocal) संबंधों का उपयोग करके अंतरिक्ष के वक्रता को मापने की ओर बढ़ता है। यह सुझाव देता है कि भविष्य में, हम ऐसे सेंसर बना सकते हैं जो सूक्ष्म कणों के एंटैंगलमेंट का उपयोग करके गुरुत्वाकर्षण के सूक्ष्म उतार-चढ़ाव को अभूतपूर्व सटीकता के साथ मैप कर सकें।