Demonstration of a mobile ion-trap quantum device

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ आधुनिक विज्ञान के सबसे नाजुक उपकरण कंपन-मुक्त बेसमेंटों में बंद नहीं हैं, बल्कि उन्हें एक वैन में पैक किया जा सकता है और देश भर में चलाया जा सकता है। यह क्वांटम सूचना विज्ञान का अग्रिम मोर्चा है, एक ऐसा क्षेत्र जो आज हमारे पास मौजूद किसी भी चीज़ से कहीं अधिक शक्तिशाली कंप्यूटर और सेंसर बनाने के लिए परमाणु दुनिया के विचित्र नियमों का लाभ उठाने का प्रयास करता है। इस क्रांति के केंद्र में ट्रैप्ड आयन (trapped ions) हैं: छोटे, विद्युत रूप से आवेशित परमाणु जिन्हें बिजली और चुंबकत्व के अदृश्य क्षेत्रों द्वारा स्थिर रखा जाता है। वैज्ञानिक इन आयनों का उपयोग सूचना के बिट्स के रूप में करते हैं, गणना करने या अविश्वसनीय सटीकता के साथ समय को मापने के लिए लेजर का उपयोग करके उन्हें नियंत्रित करते हैं। दशकों से, इन प्रयोगों के लिए आवश्यक था कि आयन प्रयोगशाला में पूरी तरह से स्थिर रहें। यदि उपकरण हिलता, तो नाजुक संतुलन टूट जाता, और परमाणु बिखर जाते। इस सीमा ने क्वांटम तकनीक को विशिष्ट स्थानों तक बांध कर रखा है, जिससे यह उन जगहों तक जाने में असमर्थ रही जहाँ इसकी सबसे अधिक आवश्यकता हो सकती है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब उस बंधन को तोड़ने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। उन्होंने सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया है कि हजारों आवेशित परमाणुओं के एक बादल को एक विशेष उपकरण के भीतर रखा जा सकता है जबकि उस उपकरण को एक चलते हुए वाहन में कई किलोमीटर तक चलाया जा रहा हो। इस प्रयोग में आयनों को एक लीनियर ट्रैप (linear trap) में लोड किया गया—एक ऐसा चैंबर जो धातु की छड़ों से बना है जो रेडियो तरंगों का उपयोग करके आयनों को हवा में लटकाने के लिए करती है—और फिर पूरे उपकरण को एक वैन में लगभग 18.6 किलोमीटर और 63.4 किलोमीटर की दूरी तक चलाया गया। आयन क्रमशः 15 मिनट और 45 मिनट तक सुरक्षित रूप से बंधे रहे, और सड़क के झटकों और मोड़ों के बावजूद बिना बाहर निकले टिके रहे। यह उपलब्धि सिद्ध करती है कि क्वांटम कंप्यूटर और सेंसर बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली तकनीक को गतिशील बनाया जा सकता है, जो उन प्रयोगों के द्वार खोलता है जो पहले असंभव थे, जैसे कि गति में रहते हुए भौतिकी के मौलिक नियमों का परीक्षण करना या विभिन्न अनुसंधान सुविधाओं के बीच विदेशी कणों (exotic particles) का परिवहन करना।

यह यात्रा एक विशेष रूप से निर्मित उपकरण के साथ शुरू हुई जिसे क्वांटम विज्ञान की सख्त मांगों को पूरा करने के लिए डिज़ाइन किया गया था। इस उपकरण का मुख्य भाग एक लीनियर पॉल ट्रैप (linear Paul trap) है, जो एक बड़े जूते के डिब्बे के आकार का चैंबर है, जो चार समानांतर धातु की छड़ों से बना है। इस वैक्यूम-सील्ड चैंबर के भीतर, शोधकर्ताओं ने एक स्थिर वातावरण बनाया जहाँ विद्युत क्षेत्र परमाणुओं को उनके स्थान पर रख सके। परमाणुओं को वहाँ पहुँचाने के लिए, उन्होंने एक लेजर का उपयोग करके धातु के एक इलेक्ट्रोड के एक छोटे से हिस्से पर प्रहार किया, जिससे सामग्री के सूक्ष्म टुकड़े निकल आए जो प्रयोग के लिए आवश्यक आवेशित आयन बन गए। एक बार जब आयन अंदर आ गए, तो ट्रैप को सील कर दिया गया, और पूरे असेंबली को पावर सप्लाई, कंप्यूटर और निगरानी उपकरणों से भरे एक रैक पर माउंट किया गया। इस रैक को फिर एक फोर्कलिफ्ट का उपयोग करके एक वैन में लोड किया गया और फिसलन रोकने के लिए पट्टियों के साथ फर्श से मजबूती से बांध दिया गया।

शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए प्रस्थान किया कि क्या आयन यात्रा के दौरान जीवित रह सकते हैं। पहले परीक्षण में, उन्होंने ऑस्ट्रिया और इटली की सीमा के पास एक विश्राम स्थल पर आयनों को लोड किया। वैन के स्थिर होने पर, उन्होंने पुष्टि की कि आयन ट्रैप में हैं। फिर, वे राजमार्ग पर 18.6 किलोमीटर तक वैन चलाकर एक गंतव्य तक पहुँचे, जिसमें 15 मिनट लगे। पूरी यात्रा के दौरान, उपकरण बैटरी पावर पर चल रहा था, और शोधकर्ताओं ने ट्रैप के अंत में एक डिटेक्टर पर कैमरा केंद्रित रखा ताकि आयनों के बाहर निकलने के किसी भी संकेत पर नज़र रखी जा सके। जब वे रुके और ट्रैप खोला, तो उन्होंने पाया कि अधिकांश आयन अभी भी वहीं थे। उन्होंने लगभग 3,800 आयनों को गिना, एक संख्या जिसने दिखाया कि उपकरण ने उन्हें उतनी ही अच्छी तरह से थामे रखा जितना कि एक शांत, स्थिर प्रयोगशाला में होता।

इस सफलता से उत्साहित होकर, टीम ने सीमाओं को और आगे बढ़ाया। दूसरे प्रयोग में, उन्होंने जर्मनी के एक शहर के पास आयनों को लोड किया और 63.4 किलोमीटर की यात्रा की, जिसमें 45 मिनट लगे। इस बार, वैन ने लंबी दूरी तय की, जिससे आयन अधिक समय तक गति में रहे। जब वे अंततः रुके और डिटेक्टर की जाँच की, तो उन्होंने पाया कि लगभग 1,170 आयन शेष बचे। हालांकि यह छोटी यात्रा की तुलना में कम थे, लेकिन संख्या में गिरावट बिल्कुल वैसी ही थी जैसी वैज्ञानिकों ने अनुमान लगाया था कि वे ट्रैप में स्वाभाविक रूप से कितने समय तक जीवित रहते हैं। यह कमी समय बीतने के कारण थी, न कि वाहन की गति के कारण। परिणामों ने पुष्टि की कि आयन वैन की गति से ढीले होकर बाहर नहीं निकल रहे थे; वे बस उसी दर से बूढ़े हो रहे थे जिस दर से वे एक स्थिर प्रयोगशाला में होते।

यह कार्य इन क्वांटम उपकरणों के उपयोग के तरीके में एक मौलिक बदलाव का प्रतीक है। पहले, लंबी दूरी तक आवेशित कणों को ले जाने का एकमात्र तरीका एक अलग प्रकार के ट्रैप का उपयोग करना था जो चुंबकीय क्षेत्रों पर निर्भर करता था, जो भारी होते हैं और उन सटीक क्वांटम ऑपरेशनों के लिए कठिन होते हैं जिनकी वैज्ञानिकों को आवश्यकता होती है। इस अध्ययन में उपयोग किया गया उपकरण रेडियो-फ्रीक्वेंसी विद्युत क्षेत्रों पर निर्भर करता है, जो सबसे उन्नत क्वांटम कंप्यूटरों और नेटवर्क के लिए मानक हैं। यह सिद्ध करके कि यह मानक तकनीक गति में भी काम कर सकती है, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि मोबाइल क्वांटम उपकरण संभव हैं। उनके द्वारा बनाए गए उपकरण में एक विशेष वाल्व शामिल है जो एक दिन वैज्ञानिकों को यात्रा के दौरान विभिन्न प्रकार के परमाणुओं, या यहाँ तक कि एंटीमैटर (antimatter) जैसे विदेशी कणों को सीधे ट्रैप में लोड करने की अनुमति दे सकता है।

इस गतिशीलता के निहितार्थ विशाल हैं। यदि क्वांटम सेंसर को स्थानांतरित किया जा सकता है, तो उनका उपयोग दूरस्थ स्थानों में गुरुत्वाकर्षण या चुंबकीय क्षेत्रों को मापने के लिए, या त्वरण के तहत समय और स्थान कैसे व्यवहार करते हैं, इसके बारे में सिद्धांतों का परीक्षण करने के लिए किया जा सकता है। प्रयोगशालाओं के बीच विदेशी कणों को ले जाने की क्षमता वैज्ञानिकों को कण त्वरकों (particle accelerators) के शोर वाले, उच्च-ऊर्जा परिवेश से दूर वातावरण में एंटीमैटर का अध्ययन करने की अनुमति दे सकती है। जबकि वर्तमान प्रयोग ने आयनों को ट्रैप में रखने पर ध्यान केंद्रित किया, क्षेत्र के लिए अगला तार्किक कदम यह प्रदर्शित करना है कि ये चलते हुए उपकरण जटिल क्वांटम ऑपरेशन भी कर सकते हैं। फिलहाल, शोधकर्ताओं ने आधार स्थापित कर दिया है: दुनिया अपने चारों ओर कितनी भी गतिशील क्यों न हो, परमाणु अपनी जगह पर बने रह सकते हैं।