Measurement-induced dynamics and emergent symmetries of particles moving in a one-dimensional lattice

क्वांटम दुनिया में, किसी चीज़ को देखने की क्रिया कभी निष्क्रिय नहीं होती है। एक पक्षी को उड़ते हुए देखने के विपरीत, जहाँ प्रेक्षक विषय से अलग रहता है, एक क्वांटम प्रणाली का मापन उसे बदल देता है। यह हमारे उपकरणों की खामी नहीं बल्कि प्रकृति का एक मौलिक नियम है: जिस क्षण आप एक सूक्ष्म कण से जानकारी निकालते हैं, आप उसके व्यवहार को प्रभावित करते हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि यदि आप स्थिति या ऊर्जा जैसे गुण को बार-बार और कोमलता से मापते हैं, तो आप एक अराजक क्वांटम प्रणाली को एक विशिष्ट, पूर्वानुमेय अवस्था में स्थिर कर सकते हैं। यह प्रक्रिया एक नदी के अपने तल को खोजने के समान है; सूचना का निरंतर प्रवाह प्रणाली को एक स्थिर पथ की ओर निर्देशित करता है जिसे वह अपने आप नहीं ले पाती। शोधकर्ता यह सवाल पूछ रहे थे कि क्या मापन का यह मार्गदर्शक हाथ केवल एक कण के स्थान को प्रकट करने से कहीं अधिक कर सकता है। क्या यह वास्तव में कणों के एक साथ व्यवहार करने के नए नियम बना सकता है, जिससे व्यवस्था के ऐसे पैटर्न निर्मित हो सकें जो प्रकृति में मौजूद नहीं हैं?

आरोस यूनिवर्सिटी और नील्स बोर इंस्टीट्यूट के भौतिकविदों की एक टीम ने एक सरल लेकिन गहन परिदृश्य का अनुकरण करके इस संभावना की खोज की: कण एक 'लैटिस' (lattice) के रूप में ज्ञात एक-आयामी बिंदुओं की एक रेखा पर चल रहे हैं। वास्तविक दुनिया में, इलेक्ट्रॉन या परमाणु जैसे कण एक-दूसरे के साथ अदला-बदली होने पर उनके व्यवहार के आधार पर दो सख्त श्रेणियों में आते हैं। कुछ बोसोन (bosons) होते हैं, जो एक ही स्थान पर जमा होने के लिए खुश रहते हैं, जबकि अन्य फर्मियॉन (fermions) होते हैं, जो सख्ती से एक स्थान साझा करने से इनकार करते हैं, जिसे पाउली अपवर्जन सिद्धांत (Pauli exclusion principle) के रूप में जाना जाता है। ये श्रेणियां आमतौर पर प्रकृति के स्थिर नियमों के रूप में मानी जाती हैं। हालाँकि, शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि क्या होगा यदि वे ऐसे कणों को लें जो तकनीकी रूप से भिन्न थे लेकिन एक डिटेक्टर के लिए व्यावहारिक रूप से अविभेद्य थे, और फिर उन्हें एक निरंतर, कमजोर मापन की दृष्टि के तहत विकसित होते देखते। उन्होंने पूछा कि क्या मापन की क्रिया इन कणों को एक नए, तीसरे प्रकार के व्यवहार को अपनाने के लिए मजबूर कर सकती है, जो दो परिचित प्रकारों के बीच कहीं स्थित हो।

इसकी परीक्षा करने के लिए, वैज्ञानिकों ने एक रेखा पर साइटों के बीच कूदने वाले कणों का एक कंप्यूटर मॉडल बनाया। उन्होंने एक ऐसी व्यवस्था की कल्पना की जहाँ एक डिटेक्टर एक विशिष्ट स्थान पर कणों की संख्या की लगातार जाँच करता है, लेकिन ऐसा इतनी कोमलता से करता है कि वह कणों की गति को तुरंत नहीं रोकता है। अपने एकल कण के पहले प्रयोग में, उन्होंने पाया कि यह कोमल जांच एक फिल्टर की तरह काम करती है। कण संभावनाओं के एक अस्त-व्यस्त मिश्रण से शुरू हुआ, लेकिन जैसे-जैसे डिटेक्टर ने रेखा के केंद्र की जाँच जारी रखी, प्रणाली को एक निश्चित अवस्था चुनने के लिए मजबूर किया गया। कण का तरंग-रूपी स्वभाव या तो पूरी तरह से सममित (symmetric) या पूरी तरह से विषम (antisymmetric) पैटर्न में स्थिर हो गया, जो पूरी तरह से मापन से प्राप्त सूचना के प्रवाह द्वारा संचालित था।

जब शोधकर्ताओं ने मिश्रण में दूसरा कण जोड़ा, तो परिणाम और भी आश्चर्यजनक हो गए। उन्होंने एक ऐसी स्थिति बनाई जहाँ दो कण एक ही ट्रैक पर चल रहे थे, लेकिन सैद्धांतिक रूप से एक-दूसरे से भिन्न थे। महत्वपूर्ण रूप से, डिटेक्टर उन्हें पहचान नहीं सकता था; वह केवल यह गिन सकता था कि एक दिए गए स्थान पर कितने कण मौजूद हैं। जैसे-जैसे सिमुलेशन चलता रहा, निरंतर मापन ने दोनों कणों को उलझाना (entangle) शुरू कर दिया, जिससे उनके भाग्य एक ऐसे तरीके से जुड़ गए जो पहले अस्तित्व में नहीं था। प्रणाली को उसकी प्रारंभिक यादृच्छिक अवस्था से दूर ले जाया गया और एक स्थिर विन्यास में धकेला गया। उल्लेखनीय रूप से, कण केवल बोसोन या फर्मियॉन नहीं बने। मापन की विशिष्ट स्थितियों के आधार पर, प्रणाली एक ऐसी अवस्था में स्थिर हो सकती थी जहाँ कण फर्मियॉन की तरह व्यवहार करते थे, यानी एक-दूसरे के स्थान को साझा करने से इनकार करते थे, या बोसोन की तरह, खुशी से इसे साझा करते थे। लेकिन सिमुलेशन ने यह भी दिखाया कि मापन प्रणाली को एक ऐसी स्थिर अवस्था की ओर निर्देशित कर सकता था जो दोनों में से कोई भी नहीं थी। इस तीसरी अवस्था में, कण एक आंशिक नियम का पालन करते थे: वे एक स्थान साझा कर सकते थे, लेकिन केवल एक सीमा तक, और वे अनिश्चित रूप से जमा नहीं हो सकते थे। यह व्यवहार, जिसे शोधकर्ता "इमानोनिक" (immanonic) कहते हैं, केवल इसलिए उभरा क्योंकि मापन प्रक्रिया ने इसे उपलब्ध संभावनाओं में से चुना था।

टीम ने सिमुलेशन को और आगे बढ़ाया, एक तीसरा कण पेश किया ताकि यह देखा जा सके कि क्या यह नया व्यवहार बड़े पैमाने पर लागू हो सकता है। तीन कणों के साथ, संभावित समरूपताओं (symmetries) का गणितीय परिदृश्य बहुत समृद्ध हो जाता है। शोधकर्ताओं ने तीन कणों को एक विशिष्ट व्यवस्था में रखा और केंद्रीय स्थान पर निरंतर मापन को अपना काम करने दिया। परिणामों ने उनकी परिकल्पना की पुष्टि की: मापन ने एक 'सेलेक्टर' (selector) के रूप में कार्य किया, जिसने प्रणाली को तीन अलग-अलग परिणामों में से एक में वर्गीकृत किया। लगभग एक-छठाई रन में, प्रणाली पूरी तरह से फर्मिओनिक बन गई, जिसमें कण एक-दूसरे से सख्ती से बचते थे। एक-छठाई में, यह पूरी तरह से बोसोनिक बन गया, जिसमें कण एक साथ क्लस्टर बनाने लगे। लेकिन शेष दो-तिहाई सिमुलेशन में, प्रणाली इमानोनिक अवस्था में स्थिर हो गई। इस अवस्था में, कण एक "आंशिक पाउली सिद्धांत" का पालन करते थे। उन्हें एक स्थान साझा करने की अनुमति थी, लेकिन एक बार में केवल दो ही। तीसरे कण को उनके साथ उसी अवस्था में शामिल होने से वर्जित कर दिया गया था। दो की यह सीमा कोई यादृच्छिक संख्या नहीं थी, बल्कि उस समरूपता की गणितीय संरचना का सीधा परिणाम थी जिसे मापन ने चुना था।

शोधकर्ताओं ने यह स्पष्ट करने में सावधानी बरती कि उन्होंने क्या हासिल किया है और क्या नहीं। उन्होंने प्रकृति में किसी नए प्रकार के मौलिक कण की खोज नहीं की। उनके सिमुलेशन में कण मानक क्वांटम वस्तुएं थे, और नया "इमानोनिक" व्यवहार कणों का अपना गुण नहीं था, बल्कि उन विशिष्ट उप-समूह अवस्थाओं का गुण था जिन्हें मापन प्रक्रिया ने प्रणाली को धारण करने के लिए मजबूर किया था। यह अध्ययन इस विचार को स्पष्ट रूप से खारिज करता है कि ये नई समरूपताएं वास्तविकता की एक छिपी हुई परत हैं जिसे दुनिया में खोजा जाना बाकी है। इसके बजाय, यह कार्य प्रदर्शित करता है कि कैसे हम एक प्रणाली के अवलोकन को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, एक ऐसी अस्थायी वास्तविकता को इंजीनियर कर सकते हैं जहाँ कण अलग नियमों का पालन करते हैं। मापन केवल प्रणाली की अवस्था को प्रकट नहीं करता है; यह सक्रिय रूप से एक विशिष्ट प्रकार की व्यवस्था का निर्माण करता है, अराजकता को छानता है और पीछे एक स्थिर, उभरती हुई समरूपता छोड़ देता है।

यह निष्कर्ष बताता है कि क्वांटम व्यवहार की सीमाएँ, कम से कम एक सिमुलेशन के नियंत्रित वातावरण के भीतर, पहले की तुलना में अधिक लचीली हैं। "इमानोनिक" अवस्थाएँ भौतिकी के स्थायी परिवर्तन नहीं हैं, बल्कि गतिशील पैटर्न हैं जिन्हें तब तक बनाए रखा जा सकता है जब तक मापन जारी रहता है। यह अध्ययन दर्शाता है कि अवलोकन की क्रिया कणों के सामूहिक व्यवहार को आकार देने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है, जो उन्हें ऐसी व्यवस्थित अवस्थाओं की ओर ले जाने में सक्षम है जो प्रकृति आमतौर पर अपने आप प्रदान नहीं करती है। हालाँकि ये परिणाम वर्तमान में कंप्यूटर मॉडल तक सीमित हैं, वे भविष्य के प्रयोगों के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करते हैं। ऑप्टिकल ट्रैप में वास्तविक परमाणुओं का उपयोग करके और इसी तरह के कमजोर, निरंतर मापन को लागू करके, वैज्ञानिक प्रयोगशाला में इन उभरती हुई समरूपताओं को संभावित रूप से बना और देख सकते हैं। ऐसे प्रयोग न केवल यह समझने में मदद करेंगे कि मापन वास्तविकता को कैसे आकार देता है, बल्कि क्वांटम सूचना प्रोटोकॉल के लिए नए द्वार भी खोल सकते हैं, जहाँ इन इमानोनिक अवस्थाओं के अद्वितीय सहसंबंधों का उपयोग नए प्रकार के कंप्यूटिंग के लिए किया जा सकता है। यह कार्य इस विचार का प्रमाण है कि क्वांटम क्षेत्र में, जिस तरह से हम दुनिया को देखते हैं, वह मौलिक रूप से उस चीज़ को बदल सकता है जिसे हम देखते हैं।