Violation of Bell-type Inequality in the Hanbury Brown-Twiss (HBT) Toy-Model: Quantum Correlations beyond Local-Realism

प्रकाश को लंबे समय से एक तरंग के रूप में समझा जाता रहा है, जो अंतरिक्ष में किसी तालाब में उठने वाली लहर की तरह फैलती है। दशकों तक, वैज्ञानिकों ने शास्त्रीय भौतिकी के परिचित नियमों का उपयोग करते हुए इसके व्यवहार का वर्णन किया, जिसमें इसे एक निरंतर विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र माना गया। हालाँकि, बीसवीं सदी के मध्य में वास्तविकता की एक गहरी परत उभर कर आई जब शोधकर्ताओं को पता चला कि प्रकाश फोटॉन नामक विविक्त कणों (discrete particles) की एक धारा के रूप में भी व्यवहार करता है। इस दोहरी प्रकृति ने क्वांटम ऑप्टिक्स के क्षेत्र को जन्म दिया, जो यह अन्वेषण करता है कि प्रकाश सबसे मौलिक स्तर पर पदार्थ के साथ कैसे परस्पर क्रिया करता है। इस क्षेत्र के सबसे प्रसिद्ध प्रयोगों में से एक हनबरी ब्राउन और ट्विस प्रभाव (Hanbury Brown and Twiss effect) है, जो मूल रूप से दूर स्थित तारों के आकार को मापने के लिए डिज़ाइन किया गया था। दो डिटेक्टरों को दूर-दूर रखकर और यह मापकर कि तारों के प्रकाश की चमक एक साथ कैसे उतार-चढ़ाव करती है, खगोलविदों ने पाया कि प्रकाश में एक सांख्यिकीय व्यक्तित्व होता है जिसे शास्त्रीय भौतिकी पूरी तरह से नहीं समझा सकती थी। इस प्रभाव ने प्रकट किया कि फोटॉन समूहों में आ सकते हैं या एक-दूसरे से बच सकते हैं, ऐसे व्यवहार जो कणों के बीच एक गहरे, अधिक विचित्र संबंध की ओर संकेत करते हैं। आज, प्रश्न यह बना हुआ है: क्या ये ऑप्टिकल सेटअप एक अधिक गहन प्रकार के संबंध को प्रकट कर सकते हैं जिसे गैर-स्थानीयता (non-locality) कहा जाता है, जहाँ कण स्थान के पार तुरंत एक-दूसरे को प्रभावित करते हैं, इस विचार को चुनौती देते हुए कि सब कुछ स्थानीय, छिपे हुए कारणों द्वारा समझाया जाना चाहिए?

हाल ही में एक अध्ययन में, भारतीय विज्ञान शिक्षा और अनुसंधान संस्थान मोहाली के शोधकर्ताओं ने इस प्रसिद्ध तारा-मापन प्रयोग के एक सरलीकृत संस्करण का उपयोग करके इस प्रश्न की जांच करने का निर्णय लिया। हनबरी ब्राउन और ट्विस प्रभाव के लिए मूल सेटअप जटिल है, जिसमें आठ अलग-अलग पथ शामिल हैं जिनसे प्रकाश दो स्रोतों से दो डिटेक्टरों तक यात्रा करते समय गुजर सकता है। भौतिकी के सार को खोए बिना गणित को प्रबंधनीय बनाने के लिए, टीम ने केवल चार पथों का उपयोग करके एक सुव्यवस्थित मॉडल बनाया। उन्होंने दो प्रकाश स्रोतों की कल्पना की, जिनमें से प्रत्येक एक विशेष प्रकार की क्वांटम अवस्था भेज रहा था जिसे 'टू-मोड स्क्वीज्ड वैक्यूम' (two-mode squeezed vacuum) कहा जाता है। ये अवस्थाएँ साधारण प्रकाश नहीं हैं; वे सावधानीपूर्वक तैयार किए गए क्वांटम संसाधन हैं जहाँ प्रकाश के गुण इस तरह से जुड़े होते हैं जिसे शास्त्रीय भौतिकी की नकल नहीं की जा सकती। शोधकर्ताओं ने इन किरणों को दर्पणों, बीम स्प्लिटर और पोलराइज़र की एक श्रृंखला के माध्यम से निर्देशित किया, जो मूल प्रयोग में प्रकाश की यात्रा की नकल करते हैं लेकिन एक नियंत्रित, सैद्धांतिक ढांचे के भीतर। लक्ष्य यह देखना था कि क्या दो डिटेक्टरों तक पहुँचने वाले प्रकाश के बीच के सहसंबंध (correlations) एक विशिष्ट गणितीय नियम को तोड़ सकते हैं जिसे बेल-टाइप असमानता (Bell-type inequality) कहा जाता है। यह नियम एक सीमा रेखा के रूप में कार्य करता है: यदि माप इस रेखा के भीतर रहते हैं, तो परिणामों को एक शास्त्रीय दुनिया द्वारा समझाया जा सकता है जहाँ सब कुछ स्थानीय, छिपे हुए कारकों द्वारा निर्धारित होता है। यदि माप इस रेखा को पार कर जाते हैं, तो यह सिद्ध होता है कि प्रकाश वास्तविक क्वांटम गैर-स्थानीयता प्रदर्शित कर रहा है।

टीम ने पाया कि उनका सरलीकृत मॉडल वास्तव में उस सीमा को पार कर गया। जब उन्होंने अपने चार-मोड सिस्टम द्वारा उत्पन्न डेटा का विश्लेषण किया, तो डिटेक्टरों के बीच के सहसंबंधों ने असमानता का उल्लंघन किया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि प्रकाश एक ऐसे तरीके से व्यवहार कर रहा था जिसका शास्त्रीय विवरण कोई भी लेखा-जोखा नहीं दे सकता था। यह उल्लंघन विशेष रूप से तब हुआ जब प्रकाश स्रोतों को एक 'स्क्वीज्ड स्टेट' (squeezed state) में तैयार किया गया था, एक ऐसी स्थिति जहाँ प्रकाश के गुणों की अनिश्चितता मानक क्वांटम सीमा से नीचे कम हो जाती है। शोधकर्ताओं ने देखा कि प्रभाव सबसे मजबूत था जब दोनों स्रोतों को एक समान तरीके से स्क्वीज किया गया था, लेकिन उन्होंने कुछ आश्चर्यजनक भी खोजा: भले ही एक स्रोत को स्क्वीज किया गया हो और दूसरा एक मानक, शास्त्रीय-समान अवस्था में रहा हो, फिर भी सिस्टम ने उल्लंघन उत्पन्न किया। यह सुझाव देता है कि सेटअप में मौजूद ऑप्टिकल घटक, एक मिक्सर की तरह कार्य करते हुए, दोनों अलग-अलग बीमों को उलझा (entangle) देने में सक्षम थे, जिससे उन्हें एक एकल, गैर-स्थानीय क्वांटम अवस्था में बुन दिया गया। अध्ययन में यह भी देखा गया कि क्या होता है जब प्रकाश पूरी तरह से शुद्ध नहीं होता है बल्कि इसमें कुछ थर्मल शोर (thermal noise) होता है, जो एक गर्म वातावरण का अनुकरण करता है। उन्होंने पाया कि गैर-स्थानीय संबंध सीमित तापमान पर भी बना रहा, हालांकि तापमान बढ़ने के साथ उल्लंघन की तीव्रता धीरे-धीरे कम होती गई।

ये परिणाम पुष्टि करते हैं कि हनबरी ब्राउन और ट्विस सेटअप न केवल तारों के आकार को मापने या फोटॉनों को गिनने का एक उपकरण है, बल्कि वास्तविकता की नींव के परीक्षण के लिए एक शक्तिशाली मंच भी है। प्रयोग को उसके आवश्यक तत्वों तक सीमित करके, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि क्वांटम यांत्रिकी की विचित्र, गैर-स्थानीय विशेषताएं एक सरलीकृत ऑप्टिकल व्यवस्था में जीवित रहने के लिए पर्याप्त मजबूत हैं। यह कार्य इस बात पर प्रकाश डालता है कि हमारे द्वारा देखी जाने वाली शास्त्रीय दुनिया और इसके आधार पर स्थित क्वांटम दुनिया के बीच की सीमा एक कठोर दीवार नहीं है, बल्कि एक पारगम्य रेखा है जिसे सही प्रकार के प्रकाश के साथ पार किया जा सकता है। हालाँकि यह अध्ययन भौतिक बेंच-टॉप प्रयोग के बजाय सैद्धांतिक गणनाओं पर आधारित था, मॉडल की गणितीय कठोरता भविष्य के अन्वेषणों के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करती है। यह सुझाव देता है कि प्रकाश के केवल चार पथों वाले तंत्र में भी, ब्रह्मांड अपने सबसे प्रति-सहज (counterintuitive) रहस्यों को प्रकट कर सकता है, यह सिद्ध करते हुए कि प्रकाश की क्वांटम प्रकृति एक नाजुक जिज्ञासा नहीं है, बल्कि यह दुनिया के काम करने के तरीके का एक मौलिक लक्षण है।