Certified measurement and control of an entanglement-breaking index on programmable hardware

क्वांटम भौतिकी की विचित्र दुनिया में, कण इस तरह से एक-दूसरे से जुड़ सकते हैं जो हमारे रोजमर्रा के अनुभवों को चुनौती देता है, इस जुड़ाव को 'एंटैंगलमेंट' (entanglement) के रूप में जाना जाता है। यह लिंक अविश्वसनीय रूप से नाजुक है; जैसे ही कोई क्वांटम सिस्टम अपने गर्म, शोर भरे परिवेश के साथ अंतःक्रिया करता है, वह जुड़ाव अक्सर टूट जाता है, जिससे कण साधारण, स्वतंत्र वस्तुओं की तरह व्यवहार करने लगते हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि यदि आप किसी क्वांटम सिस्टम को उसके वातावरण के साथ अंतःक्रिया करने के लिए मजबूर करते रहेंगे, तो अंततः वह अपने सभी विशेष क्वांटम गुणों को खो देगा। हालांकि, एक विशिष्ट प्रश्न अनुत्तरित रहा है: इस अंतःक्रिया को कितनी बार होना चाहिए जब तक कि क्वांटम लिंक स्थायी रूप से टूट न जाए? यह संख्या कोई अनुमान या समय का माप नहीं है, बल्कि एक सटीक पूर्णांक है, चरणों की एक विशिष्ट गिनती जिसके बाद सिस्टम के टूटने की गारंटी होती है। अब तक, इस संख्या को किसी वास्तविक प्रयोग में कभी मापा नहीं गया था, यह केवल एक सैद्धांतिक अवधारणा के रूप में मौजूद थी।

एक शोधकर्ता ने अब इस अमूर्त सिद्धांत और भौतिक वास्तविकता के बीच के अंतर को पाट दिया है। उन्होंने न केवल इस विशिष्ट "ब्रेकिंग पॉइंट" (टूटने के बिंदु) को मापने का, बल्कि इसे नियंत्रित करने का भी एक तरीका डिजाइन किया, जिससे एक निश्चित संख्या को एक स्विच करने योग्य सिग्नल में बदल दिया गया। एक प्रोग्राम करने योग्य क्वांटम कंप्यूटर का उपयोग करके, उन्होंने एक ऐसी स्थिति बनाई जहाँ एक एकल क्वांटम बिट बार-बार ताजे, थर्मल पार्टनर्स (thermal partners) के प्रवाह से टकराता है। उन्होंने पाया कि इन पार्टनर्स के तापमान जैसे गुणों को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, वे क्वांटम लिंक को अधिक समय तक जीवित रख सकते थे या इसे जल्दी तोड़ सकते थे। सबसे आश्चर्यजनक बात यह थी कि उन्होंने पाया कि सिस्टम को पल्स (pulse) देकर—यानी परिवेश के तापमान को एक सटीक लय में ऊपर-नीचे बदलकर—वे टूटे हुए क्वांटम लिंक को बहाल कर सकते थे और उस बहाल किए गए जुड़ाव की ताकत उस तुलना में काफी अधिक बना सकते थे यदि उन्होंने तापमान को स्थिर छोड़ दिया होता। इस पल्सिंग विधि ने कनेक्शन के सिग्नल को अधिकतम करने में किसी भी स्थिर सेटअप की तुलना में बीस प्रतिशत अधिक प्रभावी प्रदर्शन किया, जो यह दर्शाता है कि क्वांटम सिस्टम अपने वातावरण को संभालने में कितनी छिपी हुई दक्षता रखते हैं।

शोधकर्ता ने एक भौतिक प्रक्रिया के डिजिटल सिमुलेशन का निर्माण करके इस चुनौती का सामना किया। कल्पना कीजिए कि एक संदेशवाहक एक गुप्त संदेश लेकर जा रहा है, जिसे विभिन्न कमरों से गुजरना है। प्रत्येक कमरे में, संदेशवाहक एक नए, यादृच्छिक व्यक्ति से टकराता है। यदि कमरे बहुत अराजक हैं, तो रहस्य तुरंत खो जाता है। यदि कमरे शांत हैं, तो रहस्य अधिक समय तक रहता है। शोधकर्ता जानना चाहते थे कि संदेशवाहक कितने कमरों से गुजर सकता है इससे पहले कि रहस्य अनिवार्य रूप से खो जाए। उन्होंने एक क्वांटम कंप्यूटर को संदेशवाहक और कमरों के रूप में कार्य करने के लिए प्रोग्राम किया, जिसमें एक ऐसी विधि का उपयोग किया गया जहाँ प्रत्येक कमरे का "तापमान" अत्यधिक सटीकता के साथ सेट किया जा सकता था। क्योंकि कंप्यूटर हर चरण के बाद अपनी आंतरिक स्थिति को रीसेट कर सकता था, इसलिए वे हजारों भौतिक भागों की आवश्यकता के बिना एक लंबी यात्रा का अनुकरण कर सके, जो वर्तमान मशीनों पर लगभग असंभव होता।

उनकी पहली बड़ी उपलब्धि इस प्रक्रिया की "सीढ़ी" (staircase) को मापना था। उन्होंने उन विशिष्ट सेटिंग्स की पहचान की जहाँ क्वांटम लिंक एक निश्चित संख्या में चरणों तक जीवित रहता है और फिर टूट जाता है। उन्होंने पाया कि कई स्पष्ट चरण थे जहाँ सेटिंग के आधार पर लिंक तीन, चार, या यहाँ तक कि चौदह राउंड तक जीवित रहा और फिर विफल हो गया। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने केवल इन संख्याओं का अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने गणितीय प्रमाण दिया कि ये गणनाएँ सटीक थीं। उन्होंने यह भी पाया कि कुछ सेटिंग्स वर्तमान तकनीक के साथ मापने के लिए बहुत संवेदनशील थीं, क्योंकि लिंक के जीवित रहने या विफल होने के बीच का अंतर बहुत सूक्ष्म था। उनकी यह ईमानदार गणना कि क्या मापा जा सकता है और क्या नहीं, उनके काम का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है, जो यह सुनिश्चित करती है कि भविष्य के प्रयोगों को पता हो कि सीमाएँ कहाँ हैं।

शोधकर्ता फिर एक निश्चित पथ को मापने से नियंत्रण की ओर बढ़े। उन्होंने महसूस किया कि यदि वे अपने वातावरण को एक विशिष्ट "वैली" (valley - घाटी) सेटिंग पर रखते—एक ऐसा बिंदु जहाँ लिंक मुश्किल से जीवित था—तो वे सिस्टम को किनारे तक धकेल सकते थे और इसे तोड़ सकते थे। लेकिन उन्होंने यह भी खोजा कि वे इसे वापस खींच सकते थे। परिवेश के तापमान को थोड़े समय के लिए बदलकर और फिर उसे वापस सामान्य करके, वे कनेक्शन को बहाल कर सकते थे। इसने इस प्रक्रिया को एक वाल्व (valve) में बदल दिया। उन्होंने पाया कि इस वाल्व का उपयोग करने का सबसे कुशल तरीका तापमान को स्थिर रखना नहीं, बल्कि इसे पल्स (pulse) करना था। परिवर्तन का एक छोटा, केंद्रित विस्फोट (burst) क्वांटम लिंक को काफी अधिक शक्ति के साथ बहाल करने की अनुमति देता था। उनके सर्वश्रेष्ठ मामले में, इस पales विधि ने स्थिर पद्धति की तुलना में कनेक्शन की शक्ति को लगभग बीस प्रतिशत बढ़ा दिया।

शायद सबसे उल्लेखनीय खोज यह थी कि वे केवल तापमान बदलकर ही नहीं, बल्कि परिवेश को एक विशिष्ट दिशा में "टिल्ट" (tilt - झुकाव) देकर सिस्टम को और अधिक मजबूत बना सकते थे। यह "टिल्ट" आसपास के कणों की क्वांटम अवस्था में एक सूक्ष्म बदलाव है। इस झुकाव को लागू करके, वे बिना किसी अतिरिक्त ऊर्जा को जोड़े, क्वांटम कनेक्शन की शक्ति को स्थिर सीमा की तुलना में तीन गुना करने में सक्षम रहे। यह सुझाव देता है कि क्वांटम सिस्टम अपने कनेक्शन कैसे खोते हैं, यह केवल गर्मी के बारे में नहीं है, बल्कि उनके परिवेश के विशिष्ट ओरिएंटेशन (अभिविन्यास) के बारे में भी है। शोधकर्ता ने सिद्ध किया कि यह प्रभाव वास्तविक और गणनीय है, जो इंजीनियरों को एक नया उपकरण प्रदान करता है जिन्हें भविष्य में क्वांटм जानकारी की रक्षा करने की आवश्यकता हो सकती है।

अध्ययन ने शोर (noise) की वास्तविकता को भी संबोधित किया। वास्तविक क्वांटम कंप्यूटर त्रुटिपूर्ण होते हैं, और उनकी त्रुटियाँ नाजुक संकेतों को नष्ट कर सकती हैं। शोधकर्ता ने गणना की कि उनके सिस्टम कितनी त्रुटि सहन कर सकता है इससे पहले कि विशेष "वैली" प्रभाव गायब हो जाए। उन्होंने पाया कि वैली बहुत नाजुक है, जिसके लिए कंप्यूटर को मानक प्रयोगों की तुलना में बहुत अधिक सटीक होने की आवश्यकता है। हालाँकि, उन्होंने यह भी दिखाया कि 'एक्सट्रपलेशन' (extrapolation) नामक तकनीक का उपयोग करके—अर्थात, सिस्टम को थोड़े अधिक शोर के साथ मापना और गणितीय रूप से उस शोर को हटाना—वे वास्तविक सिग्नल को पुनः प्राप्त कर सकते थे। इसका अर्थ है कि यद्यपि प्रयोग कठिन है, लेकिन यह वर्तमान तकनीक की पहुंच के भीतर है, बशर्ते सही सावधानियां बरती जाएं।

शोधकर्ता ने अपने निष्कर्षों को प्राकृतिक दुनिया से जोड़ते हुए उल्लेख किया कि उनके द्वारा उपयोग की गई विशिष्ट सेटिंग्स शरीर के तापमान पर पानी के अणुओं के व्यवहार के अनुरूप हैं। हालांकि उन्होंने सीधे तौर पर पानी का अध्ययन करने का दावा नहीं किया, लेकिन उन्होंने अपने सेटिंग्स के लिए पानी के हाइड्रोजन बॉन्ड्स के भौतिक गुणों का मार्गदर्शन के रूप में उपयोग किया। यह संबंध सुझाव देता है कि जो सिद्धांत उन्होंने खोजे हैं, वे इस बात के लिए प्रासंगिक हो सकते हैं कि गर्म, जैविक वातावरण में क्वांटम प्रभाव कैसे व्यवहार करते हैं, हालांकि यह शोध पत्र स्वयं जीव विज्ञान के बारे में कोई दावा करने से बचता है। यह कार्य पूरी तरह से भौतिकी के क्षेत्र में बना हुआ है, जो यह प्रदर्शित करता है कि एक क्वांटम सिस्टम सावधानीपूर्वक तैयार किए गए वातावरण के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करता है।

अंत में, यह शोध पत्र केवल एक संख्या की रिपोर्ट नहीं करता है; यह क्वांटम नियंत्रण के बारे में सोचने का एक नया तरीका स्थापित करता है। यह दिखाता है कि जिस बिंदु पर एक क्वांटम लिंक टूटता है, वह कोई स्थिर दीवार नहीं है, बल्कि एक परिदृश्य (landscape) है जिसे नेविगेट किया जा सकता है। पल्स और टिल्ट का उपयोग करके, शोधकर्ता सिस्टम को टूटने के बिंदु से दूर ले जा सकते हैं, जिससे क्वांटम सूचना का जीवनकाल बढ़ जाता है। यह कार्य इस परिदृश्य का एक प्रमाणित मानचित्र प्रदान करता है, जिसमें सत्यापित मार्ग और ज्ञात मृत अंत (dead ends) शामिल हैं। यह सिद्ध करता है कि जो कभी एक सैद्धांतिक जिज्ञासा थी, उसे अब मापा, नियंत्रित और अनुकूलित किया जा सकता है, जो निकट भविष्य में अधिक परिष्कृत क्वांटम प्रयोगों के द्वार खोलता है। सीढ़ी चढ़ ली गई है, वाल्व घुमा दिया गया है, और आगे का रास्ता अब स्पष्ट रूप से चिह्नित है।