Bell-certified retardance polarimetry from CHSH correlators

क्वांटम दुनिया में, कण एक ऐसे तरीके से आपस में जुड़ सकते हैं जो दूरी और कारण की हमारी रोजमर्रा की समझ को चुनौती देता है। जब दो फोटॉन एक विशेष अवस्था में एक साथ उत्पन्न होते हैं, तो एक को मापने से आपको तुरंत दूसरे के बारे में कुछ पता चल जाता है, चाहे वे एक-दूसरे से कितनी भी दूर क्यों न हों। वैज्ञानिक लंबे समय से इस घटना का उपयोग करते आए हैं, जिसे एंटैंगलमेंट (entanglement) कहा जाता है, ताकि वास्तविकता की बुनियादी नींव का परीक्षण किया जा सके। यह जाँचने के लिए कि क्या ये कण उन तरीकों से व्यवहार करते हैं जिन्हें स्थानीय, शास्त्रीय भौतिकी (classical physics) स्पष्ट नहीं कर सकती, वे 'बेल टेस्ट' (Bell tests) नामक परीक्षण करते हैं। ये परीक्षण एक सख्त द्वारपाल की तरह कार्य करते हैं, जो यह पुष्टि करते हैं कि क्वांटम सिद्धांत द्वारा अनुमानित विचित्र, गैर-स्थानीय (nonlocal) संबंध वास्तविक हैं। साथ ही, भौतिकी की एक अन्य शाखा, जिसे क्वांटम मेट्रोलॉजी (quantum metrology) कहा जाता है, एक अलग लेकिन संबंधित प्रश्न पूछती है: हम इन्हीं नाजुक कणों का उपयोग करके पर्यावरण में एक सूक्ष्म परिवर्तन को कितनी सटीकता से माप सकते हैं? दशकों से, ये दोनों क्षेत्र काफी हद तक अलग-अलग रास्तों पर चलते रहे हैं। एक समूह एंटैंगल्ड फोटॉन का उपयोग यह सिद्ध करने के लिए करता है कि ब्रह्मांड अजीब है, जबकि दूसरा समूह इनका उपयोग चुंबकीय क्षेत्रों या प्रकाश के सूक्ष्म बदलावों जैसी चीजों के लिए अति-संवेदनशील सेंसर बनाने के लिए करता है।

'यूनिवर्सिडाड ऑटोनोमा उना डी एस्टेटो डी मेक्सिको' के शोधकर्ताओं का एक नया अध्ययन इस अंतर को पाटता है, यह दिखाते हुए कि क्वांटम विचित्रता को सिद्ध करने के लिए उपयोग किए जाने वाले समान डेटा का उपयोग माप की सटीकता के लिए एक कठोर प्रमाण पत्र के रूप में भी किया जा सकता है। टीम ने 'रिटार्डेंस पोलरिमेट्री' (retardance polarimetry) नामक एक विशिष्ट प्रकार के माप पर ध्यान केंद्रित किया, जिसमें यह पता लगाया जाता है कि कोई सामग्री गुजरने वाले प्रकाश को कितना धीमा करती है या विलंबित करती है। अपने प्रयोग में, उन्होंने एंटैंगल्ड फोटॉन युग्मों की एक धारा का उपयोग किया, जिसमें से एक को एक डिटेक्टर की ओर भेजा गया और दूसरे को एक नमूने (sample) के माध्यम से भेजा गया जिसने उसके ध्रुवीकरण (polarization) को थोड़ा बदल दिया। फिर उन्होंने बेल टेस्ट के लिए डिज़ाइन की गई मानक सेटिंग्स का उपयोग करके फोटॉनों को मापा। आश्चर्यजनक खोज यह है कि इन मानक परीक्षणों द्वारा उत्पन्न संख्याओं में यह जानकारी पर्याप्त होती है कि सेटअप नमूने में होने वाले परिवर्तनों के प्रति कितना संवेदनशील है, जिसके लिए क्वांटम अवस्था के पूर्ण, जटिल पुनर्निर्माण (reconstruction) की आवश्यकता नहीं होती है। यह गणना एक महत्वपूर्ण शर्त पर निर्भर करती है: प्रत्येक पक्ष के लिए मापन परिणाम निष्पक्ष (unbiased) होने चाहिए, जिसका अर्थ है कि डिटेक्टर अपने आप में एक परिणाम को दूसरे पर प्राथमिकता नहीं देते हैं।

शोधकर्ताओं ने पाया कि आदर्श स्थितियों के तहत, बेल टेस्ट के लिए डिटेक्टरों को सेट करने के लिए उपयोग किए जाने वाले विशिष्ट कोण न केवल गैर-स्थानीयता (nonlocality) को सिद्ध करने के लिए अच्छे हैं; बल्कि वे प्रकाश में होने वाले विलंब (delay) के बारे में अधिकतम जानकारी निकालने के लिए भी पूरी तरह से ट्यून किए गए हैं। इसका अर्थ है कि एक प्रयोग का एक एकल रन दोहरा कार्य कर सकता है। यह पुष्टि कर सकता है कि कण वास्तव में क्वांटम तरीके से व्यवहार कर रहे हैं, और साथ ही, यह गणितीय रूप से गारंटीकृत निचली सीमा (lower bound) प्रदान कर सकता है कि सिस्टम किसी सामग्री में सूक्ष्म परिवर्तन को कितनी अच्छी तरह माप सकता है। यह दृष्टिकोण में एक महत्वपूर्ण बदलाव है। पहले, वैज्ञानिक मान सकते थे कि यदि बेल टेस्ट शास्त्रीय सीमाओं का कड़ाई से उल्लंघन दिखाने में विफल रहता है, तो प्रयोग सेंसिंग के लिए बेकार है। लेखक बताते हैं कि यह सच नहीं है। भले ही शोर या अपूर्ण उपकरणों के कारण क्वांटम संबंध कमजोर हो जाए, फिर भी डेटा में संवेदनशीलता का एक उपयोगी स्तर बना रहता है। यह विधि शोधकर्ताओं को एक मानक अंशांकन (calibration) रन, जो आमतौर पर केवल यह जांचता है कि उपकरण काम कर रहा है या नहीं, को तुरंत सांख्यिकीय विश्वास सीमाओं के साथ माप सटीकता के बयान में बदलने की अनुमति देती है।

यह अध्ययन एक विशिष्ट प्रकार के डेटा विश्लेषण पर निर्भर करता है जो दोनों डिटेक्टरों के बीच सहसंबंध (correlation) को देखता है। पूरी क्वांटम तस्वीर को शून्य से फिर से बनाने के बजाय, टीम ने देखे गए सहसंबंधों और माप की सटीकता के बीच एक सीधा संबंध निकाला। उन्होंने प्रदर्शित किया कि यह दृष्टिकोण तब भी मजबूत रहता है जब पताه गए फोटॉनों की संख्या सीमित होती है या सिग्नल की दृश्यता (visibility) गिर जाती है। सिमुलेशन में, उन्होंने दिखाया कि यह विधि एक विश्वसनीय सुरक्षा जाल प्रदान करती है: जब तक डेटा एकत्र किया जाता है, तब तक एक सेंसर के प्रदर्शन का रूढ़िवादी अनुमान निकाला जा सकता है जो सांख्यिक的に सुदृढ़ है। इसका मतलब है कि वास्तविक दुनिया के परिदृश्यों में जहाँ उपकरण दोषपूर्ण नहीं होते, वैज्ञानिक बिना यह माने कि उपकरण त्रुटिहीन है, अपने संवेदनशीलता दावों पर भरोसा कर सकते हैं।

यह कार्य यह दावा नहीं करता है कि बेल उल्लंघन (Bell violations) ही माप शक्ति (measurement power) के समान हैं। लेखक सावधानीपूर्वक नोट करते हैं कि एक मजबूत बेल सिग्नल हमेशा बेहतर सेंसर की गारंटी नहीं देता है, और इसके विपरीत, एक उपयोगी सेंसर बिना किसी मजबूत बेल सिग्नल के भी मौजूद हो सकता है। हालांकि, एंटैंगल्ड फोटॉन के साथ रिटार्डेंस मापने के विशिष्ट मामले के लिए, पेशे के मानक उपकरण दोहरे उद्देश्य वाले सिद्ध होते हैं। वही सेटिंग्स जो क्वांटम उल्लंघन देखने की संभावना को अधिकतम करती हैं, विलंब के बारे में प्राप्त जानकारी को भी अधिकतम करती हैं। यह खोज प्रयोगकर्ताओं के लिए कार्यप्रवाह को सरल बनाती है। उन्हें अब क्वांटम यांत्रिकी को सिद्ध करने के लिए परीक्षण चलाने और अपने सेंसर को कैलिब्रेट करने के लिए एक अलग, जटिल प्रक्रिया चलाने के बीच चयन करने की आवश्यकता नहीं है। डेटा स्ट्रीम स्वयं दोनों प्रश्नों का उत्तर रखती है।

उन लोगों के लिए इसके निहितार्थ व्यावहारिक और तत्काल हैं जो क्वांटम सेंसरों के साथ काम कर रहे हैं। इस विधि के लिए केवल मानक उपकरणों की आवश्यकता होती है जो कई प्रयोगशालाओं में मिलते हैं: एंटैंगल्ड फोटॉन का एक स्रोत, प्रकाश को समायोजित करने के लिए कुछ वेव प्लेट्स (wave plates), और रंगों को अलग करने के लिए पोलराइजिंग बीम स्प्लिटर (polarizing beam splitters)। संयोग गणनाओं (coincidence counts) का विश्लेषण करके—वे क्षण जब दोनों डिटेक्टर एक साथ फायर होते हैं—शोधकर्ता अब संवेदनशीलता का एक प्रमाण पत्र उत्पन्न कर सकते हैं जो उसी कठोर तर्क द्वारा समर्थित है जिसका उपयोग क्वांटम एंटैंगलमेंट के अस्तित्व को सिद्ध करने के लिए किया जाता है। यह उपकरण की एक नियमित जांच को एक शक्तिशाली मेट्रोलॉजिकल टूल में बदल देता है। यह सुझाव देता है कि अत्यंत सटीक मापन का मार्ग पहले की तुलना में बहुत छोटा हो सकता है, जो उस डेटा के भीतर छिपा हुआ है जिसे हम पहले से ही वास्तविकता की मौलिक प्रकृति को समझने के लिए एकत्र करते हैं। अध्ययन पुष्टि करता है कि सही संदर्भ में, विचित्रता का प्रमाण और सटीक का मापन न केवल संगत हैं, बल्कि एक ही सिक्के के दो पहलू हैं।