Measuring the Quantum Phase of Multiphoton Systems
यह शोधपत्र एक नवीन क्वांटम स्टेट टोमोग्राफी योजना का उपयोग करके पंद्रह कणों तक की प्रणालियों के चरण (फेज) को प्रयोगात्मक रूप से मापकर, बहु-कण प्रणालियों में क्वांटम चरण के दीर्घकालिक रहस्य को हल करता है, जिससे संख्या-चरण अनिश्चितता संबंध स्थापित होता है और बहु-कण क्वांटम सूचना प्रसंस्करण के लिए एक मौलिक संसाधन उपलब्ध होता है।
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क्वांटम भौतिकी की दुनिया में, कुछ मात्राओं को गिनना आसान होता है, जबकि कुछ को सटीक रूप से पकड़ पाना बेहद कठिन होता है। कल्पना कीजिए कि आप एक बाल्टी में रेत के कणों की सटीक संख्या मापने की कोशिश कर रहे हैं; यह एक सीधा सा कार्य है। अब कल्पना कीजिए कि आप पानी की एक लहर के सटीक "फेज" (कला/चरण) को मापने की कोशिश कर रहे हैं। शास्त्रीय भौतिकी में, फेज यह बताता है कि एक लहर अपने चक्र में कहाँ है—चाहे वह शिखर पर हो, गर्त (तली) पर हो, या इन दोनों के बीच कहीं हो। यह एक मौलिक अवधारणा है जो बताती है कि लहरें एक-दूसरे के साथ कैसे हस्तक्षेप करती हैं, जिससे लहरों या लेजर बीम में दिखने वाले प्रकाश और अंधकार के पैटर्न बनते हैं। हालाँकि, जब भौतिकविदों ने जल और प्रकाश की तरंगों की स्थूल (मैक्रोस्कोपिक) दुनिया से हटकर व्यक्तिगत कणों के सूक्ष्म (माइक्रोस्कोपिक) क्षेत्र की ओर कदम बढ़ाया, तो एक गहरा रहस्य उभर कर आया। जबकि एक प्रणाली में कणों की संख्या को स्पष्ट रूप से परिभाषित किया जा सकता था, क्वांटम संस्करण वाला फेज अत्यंत मायावी बना रहा। दशकों तक, वैज्ञानिक एक ऐसा गणितीय उपकरण, या एक ऑपरेटर खोजने के लिए संघर्ष करते रहे, जो क्वांटम यांत्रिकी के नियमों को तोड़े बिना इस फेज का वर्णन कर सके। ऐसे उपकरण के बिना, वे सीधे कणों के एक समूह के फेज को नहीं माप सकते थे, और न ही वे एक स्पष्ट नियम स्थापित कर सके कि कणों की संख्या की अनिश्चितता, फेज की अनिश्चितता से कैसे संबंधित है।
समझ की यह कमी तब और भी महत्वपूर्ण हो गई है जब वैज्ञानिक ऐसी नई तकनीकें विकसित कर रहे हैं जो एक साथ कई कणों के हेरफेर पर निर्भर करती हैं, जैसे कि उन्नत सेंसर और क्वांटम कंप्यूटर। इन उपकरणों को अक्सर कणों की गिनती करने और उनके फेज को मापने के बीच स्विच करने की आवश्यकता होती है, ठीक वैसे ही जैसे एक मानक कैमरा किसी दृश्य की चमक पर ध्यान केंद्रित करने और फ्लैश के समय के बीच स्विच कर सकता है। अब तक, मल्टीपार्टिकल सिस्टम (बहु-कण प्रणालियों) के फेज को सीधे मापने में असमर्थता एक बड़ी बाधा बनी हुई थी। लुइसियाना स्टेट यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब पंद्रह कणों तक की प्रणालियों के क्वांटम स्टेट को पुनर्गठित करके उनके क्वांटम फेज का मूल्यांकन करने में सफल होकर एक बड़ी सफलता हासिल की है। ऐसा करके, उन्होंने न केवल उस मात्रा को पकड़ा है जिसे लंबे समय से अकल्पनीय माना जाता था, बल्कि उन्होंने यह भी प्रदर्शित किया है कि कितने कण मौजूद हैं और उनका फेज क्या है, इसके बीच के मौलिक संबंध को देखने का एक नया तरीका।
शोधकर्ताओं ने एक परिष्कृत प्रयोगात्मक सेटअप बनाकर इस सफलता को प्राप्त किया जो प्रकाश के एक उच्च-सटीक कैमरे की तरह कार्य करता है। केवल फोटॉन, या प्रकाश के कणों के आने की गिनती करने के बजाय, टीम ने जिस प्रकाश का अध्ययन करना चाहती थी, उसे एक स्थिर, अनुमानित बीम के साथ मिलाया जिसे 'लोकल ऑसिलेटर' कहा जाता है। इस मिश्रण की प्रक्रिया, जिसे 'होमोडाइन इंटरफेरोमेट्री' कहा जाता है, ने उन्हें अज्ञात प्रकाश की तुलना एक ज्ञात संदर्भ से करने की अनुमति दी। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने एक ऐसे डिटेक्टर का उपयोग किया जो प्रत्येक माप में फोटॉन की सटीक संख्या को हल करने में सक्षम था, न कि केवल प्रकाश की उपस्थिति का पता लगाने में। दोनों प्रकाश बीमों के सापेक्ष फेज और शक्ति को सावधानीपूर्वक समायोजित करके और लाइट फील्ड के माध्यम से स्कैन करके, उन्होंने डेटा का एक विशाल भंडार एकत्र किया। इसके बाद उन्होंने इन मापों से प्रकाश की क्वांटम अवस्था को पुनर्गठित करने के लिए एक शक्तिशाली कंप्यूटर एल्गोरिदम का उपयोग किया, जिससे प्रभावी रूप से सिस्टम के गुणों का एक विस्तृत मानचित्र तैयार हुआ।
पुनर्गठन के परिणामों ने कुछ बहुत गहरा प्रकट किया। टीम उस प्रकाश क्षेत्र को दो पूरक तरीकों से देखने में सक्षम थी: एक जो कणों की संख्या के वितरण को दिखाता है और दूसरा जो फेसेज़ (चरणों) के वितरण को दिखाता है। जब उन्होंने एक अच्छी तरह से परिभाषित फेज वाले प्रकाश की बीम को देखा, तो उन्होंने पाया कि कण कई अलग-अलग संख्या अवस्थाओं (नंबर स्टेट्स) में फैले हुए थे, लेकिन फेज एक विशिष्ट मान के आसपास मजबूती से केंद्रित था। इसके विपरीत, जब उन्होंने एक अलग प्रकार के प्रकाश क्षेत्र का परीक्षण किया जिसमें अधिक यादृच्छिक उतार-चढ़ाव थे, तो फेज बहुत अधिक फैला हुआ और अनिश्चित हो गया। इस अवलोकन ने एक लंबे समय से खोजे जा रहे संबंध की पुष्टि की: जैसे-जैसे कणों की संख्या में अनिश्चितता बढ़ती है, फेज की अनिश्चितता घटती है, और इसके विपरीत। यह 'नंबर-फेज अनिश्चितता संबंध' है, जो पहले केवल एक सैद्धांतिक अवधारणा थी लेकिन अब मल्टीपार्टिकल सिस्टम के लिए पहली प्रयोगात्मक सिद्धि का विषय है।
इन मूलभूत नियमों की पुष्टि करने के अलावा, शोधकर्ताओं ने यह भी मानचित्रित किया कि ये गुण प्रकाश की बीम के भौतिक स्थान में कैसे बदलते हैं। उन्होंने खोजा कि कणों की संख्या और फेज के बीच का संबंध एकसमान नहीं है; यह इस पर निर्भर करता है कि आप कहाँ देख रहे हैं। प्रकाश क्षेत्र के धुंधले किनारों में, जहाँ कम कण मौजूद हैं, फेज अत्यधिक अनिश्चित और फैला हुआ है। जैसे-जैसे वे प्रकाश के चमकीले केंद्र की ओर बढ़े, जहाँ अधिक कण केंद्रित हैं, फेज स्पष्ट रूप से परिभाषित और स्थानीयकृत हो गया। इस स्थानिक भिन्नता ने कणों की संख्या जानने और उनके फेज को जानने के बीच के द्वंद्व का एक सीधा, दृश्य प्रमाण प्रदान किया। टीम ने यह भी दिखाया कि वे एक परिभाषित फेज वाले कणों के विशिष्ट समूहों को अलग कर सकते हैं, जिससे प्रभावी रूप से क्वांटम अवस्थाओं को चुनने और हेरफेर करने का एक नया तरीका विकसित हुआ। यह क्षमता क्वांटम सूचना प्रसंस्करण के लिए फेज को एक संसाधन के रूप में उपयोग करने के द्वार खोलती है, जो एक ऐसा नया उपकरण है जो पहले अप्राप्य था।
इस कार्य का महत्व एक सैद्धांतिक रहस्य को एक व्यावहारिक उपकरण में बदलने की इसकी क्षमता में निहित है। पहली बार, वैज्ञानिकों के पास मल्टीपार्टिकल सिस्टम के क्वांटम फेज को मापने का एक तरीका है, जो अप्रत्यक्ष गणनाओं या धारणाओं पर निर्भर रहने के बजाय डेंसिटी मैट्रिक्स को पुनर्गठित करने और प्रासंगिक फेज ऑब्जर्वेबल्स का मूल्यांकन करने पर आधारित है। यह उपलब्धि क्वांटम मेट्रोलॉजी और सेंसिंग में भविष्य के प्रयोगों के लिए एक ठोस आधार प्रदान करती है, जहाँ फेज के सटीक माप से अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील डिटेक्टर बनाए जा सकते हैं। यह क्वांटम अनिश्चितता की प्रकृति पर भी एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है, जो यह दिखाता है कि क्वांटम दुनिया की अस्पष्टता केवल एक सीमा नहीं है, बल्कि एक संरचित विशेषता है जिसे मैप और समझा जा सकता है। पंद्रह कणों तक के फेज को हल करके, शोधकर्ताओं ने क्वांटम सिद्धांत के अमूर्त गणित और प्रयोगात्मक भौतिकी की मूर्त वास्तविकता के बीच के अंतर को पाट दिया है, यह सिद्ध करते हुए कि सही दृष्टिकोण के साथ सबसे मायावी मात्राओं को भी स्पष्ट रूप से देखा जा सकता है।
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