Accessing electronic entanglement via photo-assisted two-electron tomography

क्वांटम भौतिकी की सूक्ष्म दुनिया में, इलेक्ट्रॉन जैसे कण केवल अलग-थलग बिंदुओं के रूप में मौजूद नहीं होते हैं; वे गहराई से जुड़ सकते हैं, जिसे एंटैंगलमेंट (entanglement) नामक एक घटना कहा जाता है। जब दो कण एंटैंगल्ड होते हैं, तो एक की स्थिति दूसरे को तुरंत प्रभावित करती है, चाहे वे एक-दूसरे से कितनी भी दूर क्यों न हों। यह जुड़ाव एक नए प्रकार के कंप्यूटिंग की नींव है जो आज की मशीनों के लिए असंभव समस्याओं को हल कर सकता है। जबकि वैज्ञानिकों ने इन कड़ियों को बनाने और अध्ययन करने के लिए लंबे समय से प्रकाश कणों, या फोटोन का उपयोग किया है, इलेक्ट्रॉन एक सम्मोहक विकल्प पेश करते हैं। क्योंकि इलेक्ट्रॉन विद्युत आवेश वहन करते हैं और ठोस पदार्थों के माध्यम से चलते हैं, उन्हें भविष्य के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के सूक्ष्म सर्किटों में सीधे एकीकृत किया जा सकता है। हालाँकि, यह सिद्ध करना कि इलेक्ट्रॉन वास्तव में एंटैंगल्ड हैं, एक कठिन चुनौती रही है। इस संबंध की पुष्टि करने के लिए, शोधकर्ताओं को केवल एक तार से गुजरने वाले इलेक्ट्रॉनों की संख्या के सरल मापन से परे देखना होगा। उन्हें उस अदृश्य, जटिल "सुसंगतता" (coherence) को पुनर्गठित करने की आवश्यकता है जो कणों को एक साथ बांधती है—एक ऐसा कार्य जिसके लिए ऐतिहासिक रूप से अविश्वसनीय रूप से कठिन और समय लेने वाले प्रयोगों की आवश्यकता रही है।

वैज्ञानिकों की एक टीम ने अब इस समस्या को हल करने के लिए एक नई विधि पेश की है, जिससे वे मानक, नियमित मापों का उपयोग करके इलेक्ट्रॉनों के बीच क्वांटम संबंध का मानचित्रण कर सकते हैं। अक्टूबर 2026 के एक अध्ययन में प्रकाशित, यह कार्य 'फोटो-असिस्टेड टू-इलेक्ट्रॉन टोमोग्राफी' नामक एक तकनीक का वर्णन करता है। जटिल शोर (noise) मापन पर निर्भर रहने के बजाय, जो पकड़ना कठिन होता है, शोधकर्ता रेडियो तरंगों के एक कोमल, लयबद्ध धक्के का उपयोग करके इलेक्ट्रॉनों को प्रेरित करते हैं। यह धक्का एक चाबी की तरह कार्य करता है, जो इलेक्ट्रॉन कैसे जुड़े हुए हैं इसकी जानकारी को अनलॉक करता है और उस छिपे हुए क्वांटम डेटा को एक सरल, स्थिर विद्युत धारा में बदल देता है जिसे आसानी से पढ़ा जा सकता है। एक विशेष सामग्री के किनारों पर यात्रा करने वाले इलेक्ट्रॉनों पर इस विधि को लागू करके, टीम दो परस्पर क्रिया करने वाले इलेक्ट्रॉनों की पूर्ण क्वांटम तस्वीर को सफलतापूर्वक पुनर्गठित करने में सफल रही। उनके परिणाम दर्शाते हैं कि इलेक्ट्रॉन उनके आपसी प्रतिकर्षण (repulsion) के माध्यम से एंटैंगल्ड हुए, जिससे एक ऐसी स्थिति बनी जो शास्त्रीय भौतिकी को चुनौती देती है और थर्मल शोर की उपस्थिति में भी दृश्यमान रहती है।

इस सफलता का मूल तत्व यह है कि शोधकर्ता इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा को कैसे संभालते हैं। क्वांटम क्षेत्र में, एक इलेक्ट्रॉन की स्थिति केवल उसके स्थान से नहीं, बल्कि उसकी ऊर्जा और उसके आगमन के समय से भी परिभाषित होती है। जब दो इलेक्ट्रॉन एक क्वांटम सर्किट में अगल-बगल चलते हैं, तो वे अपने विद्युत आवेश के माध्यम से परस्पर क्रिया कर सकते हैं, जिससे ऊर्जा का आदान-प्रदान होता है जो उनके भाग्य को जोड़ देता है। इस लिंक को देखने के लिए, वैज्ञानिकों को इलेक्ट्रॉनों की "ऑफ-डायगोनल" (off-diagonal) भागों को मापने की आवश्यकता थी—अनिवार्य रूप से विभिन्न ऊर्जा स्तरों के बीच सूक्ष्म सहसंबंध, जो आमतौर पर अदृश्य होते हैं। नया प्रोटोकॉल एक छोटे, दोलनशील रेडियो-फ्रीक्वेंसी टोन के साथ सिस्टम को संचालित करके इसे प्राप्त करता है। यह टोन इलेक्ट्रॉनों को ऊर्जा के छोटे पैकेटों को अवशोषित या उत्सर्जित करने के लिए प्रेरित करती है, जो प्रभावी रूप से विभिन्न ऊर्जा अवस्थाओं को आपस में मिला देती है। जब इलेक्ट्रॉन इसके बाद एक ऊर्जा फिल्टर से गुजरते हैं, तो यह मिश्रण छिपे हुए क्वांटम सहसंबंधों को औसत विद्युत धारा में परिवर्तन में बदल देता है। यह टीम को पहले एकल-इलेक्ट्रॉन व्यवहार को पुनर्गठित करने की अनुमति देता है, और फिर, दो अलग-अलग चैनलों से आने वाली धाराओं के उतार-चढ़ाव को मापकर, दो-इलेक्ट्रॉन संबंध को पुनर्गठित करने की अनुमति देता है।

शोधकर्ताओं ने इस तकनीक को एक विशिष्ट सेटअप पर लागू किया जिसमें एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र वाली सामग्री के किनारे (जिसे क्वांटम हॉल एज चैनल कहा जाता है) के साथ चलने वाले दो इलेक्ट्रॉन चैनलों शामिल हैं। ये चैनल इलेक्ट्रॉनों के लिए एक-तरफ़ा सड़कों की तरह हैं, जो उन्हें पीछे की ओर बिखरने से रोकते हैं। टीम ने एक ऐसा खंड पेश किया जहाँ ये दो चैनल एक-दूसरे के विद्युत खिंचाव को महसूस करने के लिए पर्याप्त करीब चलते हैं, जिसे वे 'कूलम्ब कप्लर' (Coulomb coupler) कहते हैं। जब दो इलेक्ट्रॉन, प्रत्येक चैनल से एक, इस क्षेत्र में एक ही समय में प्रवेश करते हैं, तो वे परस्पर क्रिया करते हैं। अध्ययन दिखाता है कि यह परस्पर क्रिया उन्हें एक सुसंगत सुपरपोजिशन (coherent superposition) में ऊर्जा का आदान-प्रदान करने के लिए प्रेरित करती है। केवल यादृच्छिक तरीके से ऊर्जा बदलने के बजाय, इलेक्ट्रॉन एक ऐसी स्थिति में होते हैं जहाँ उन्होंने ऊर्जा का आदान-प्रदान भी किया है और नहीं भी किया है। यह दोनों कणों के बीच एक वास्तविक एंटैंगलमेंट बनाता है, एक ऐसी स्थिति जो शास्त्रीय भौतिकी या केवल कण सांख्यिकी के सरल नियमों द्वारा स्पष्ट नहीं की जा सकती।

इस एंटैंगलमेंट की पुष्टि करने के लिए, टीम ने 'कॉची-श्वार्ज़ असमानता' (Cauchy-Schwarz inequality) के सिद्धांत पर आधारित एक गणितीय परीक्षण का उपयोग किया। सरल शब्दों में, यह परीक्षण एक सीमा निर्धारित करता है कि दो स्वतंत्र प्रणालियाँ कितनी सहसंबंधित हो सकती हैं। यदि मापा गया सहसंबंध इस सीमा को पार कर जाता है, तो प्रणालियाँ एंटैंगल्ड होनी चाहिए। शोधकर्ताओं ने पाया कि उनके पुनर्गठित डेटा ने इस सीमा का स्पष्ट रूप से उल्लंघन किया, जो एंटैंगलमेंट का एक निर्णायक संकेत प्रदान करता है। इसके अलावा, उन्होंने विगनर फंक्शन (Wigner function) नामक एक उपकरण का उपयोग करके इलेक्ट्रॉनों की स्थिति को दृश्यमान बनाया, जो विशिष्ट ऊर्जाओं और समय पर कणों को खोजने की संभावना का मानचित्रण करता है। इस मानचित्र में, उन्होंने ऋणात्मक प्रायिकता (negative probability) के क्षेत्रों को देखा, जो शास्त्रीय भौतिकी में असंभव है और क्वांटम हस्तक्षेप का एक लक्षण है। ये ऋणात्मक क्षेत्र पृष्ठभूमि थर्मल शोर के ऊपर स्पष्ट रूप से दिखाई दिए, जो यह सुझाव देते हैं कि यह प्रभाव वास्तविक दुनिया के उपकरणों में देखने के लिए पर्याप्त मजबूत है।

अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि इस पद्धति को एक एकल चैनल के भीतर इलेक्ट्रॉनों को देखने के लिए कैसे अनुकूलित किया जा सकता है, जो एक सामान्यीकृत फ्रैन्सन इंटरफेरोमीटर (Franson interferometer) के समान सेटअप का उपयोग करता है। यह विस्तार वैज्ञानिकों को इलेक्ट्रॉनों की मौलिक प्रकृति (जैसे पाउली अपवर्जन सिद्धांत, जो दो इलेक्ट्रॉनों को एक ही अवस्था में रहने से रोकता है) के कारण होने वाले सहसंबंधों और वास्तविक अंतःक्रियाओं के कारण होने वाले सहसंबंधों के बीच अंतर करने की अनुमति देता है। इन प्रभावों को अलग करके, प्रोटोकॉल क्वांटम अवस्था में इलेक्ट्रॉन-इलेक्ट्रॉन अंतःक्रियाओं के विशिष्ट योगदान को अलग करने का एक तरीका प्रदान करता है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि हालांकि उनकी प्रारंभिक सिमुलेशन के लिए विधि आदर्श मॉडलों पर निर्भर करती है, लेकिन भौतिक सिद्धांत सुदृढ़ हैं और आवश्यक माप मौजूदा प्रयोगात्मक सेटअपों की पहुंच के भीतर हैं। उनका अनुमान है कि विशिष्ट डिवाइस मापदंडों के लिए, इस एंटैंगलमेंट का सिग्नल इतना मजबूत होगा कि उसे पता लगाया जा सके, बशर्ते ऊर्जा फिल्टर को सही ढंग से ट्यून किया जाए।

यह कार्य इलेक्ट्रॉन क्वांटम ऑप्टिक्स के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण प्रगति का प्रतिनिधित्व करता है। एक जटिल क्वांटम पुनर्गठन समस्या को मानक करंट मापन की श्रृंखला में बदलकर, शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रॉनों के एंटैंगलमेंट का अध्ययन करने में एक बड़ी बाधा को हटा दिया है। इन कड़ियों को सीधे देखने और लक्षण वर्णन करने की क्षमता, "फ्लाइंग क्वबिट्स" (flying qubits)—इलेक्ट्रॉन जो सर्किट के माध्यम से क्वांटम सूचना ले जाते हैं—के विकास का मार्ग प्रशस्त करती है। जबकि वर्तमान अध्ययन एक विशिष्ट प्रकार की अंतःक्रिया पर केंद्रित है, ढांचा लचीला है, जो यह जानने की आवश्यकता के बिना एंटैंगलमेंट के विभिन्न स्रोतों का विश्लेषण करने में सक्षम है कि उन्हें कैसे बनाया गया था। निष्कर्ष बताते हैं कि इलेक्ट्रॉनों के साथ व्यावहारिक क्वांटम सूचना प्रसंस्करण का मार्ग अब अधिक स्पष्ट हो रहा है, जो भविष्य की तकनीकों को शक्ति देने वाले क्वांटम सहसंबंधों का पता लगाने और लक्षण वर्णन करने का एक सीधा मार्ग प्रदान करता है।