The next phase of quantum energy science: from mechanisms to applications

दशकों से, क्वांटम यांत्रिकी का सबसे प्रसिद्ध अनुप्रयोग सूचना का हेरफेर रहा है। वैज्ञानिकों ने परमाणुओं और सुपरकंडक्टिंग सर्किट को सूक्ष्म स्विच के रूप में कार्य करने के लिए पकड़ना सीख लिया है, जो अस्तित्व की नाजुक अवस्थाओं में डेटा के बिट्स को संग्रहीत करते हैं जिन्हें पढ़ा, कॉपी या मिटाया जा सकता है। यह क्षेत्र, जिसे क्वांटम सूचना विज्ञान कहा जाता है, क्वांटम अवस्था को एक नाजुक पात्र के रूप में मानता है जिसे पूरी तरह से बरकरार रखा जाना चाहिए, जैसे कि कांच की एक मूर्ति जो बहुत जोर से छूने पर टूट सकती है। हालांकि, वही भौतिक प्रणालियाँ जो सूचना धारण करती हैं, ऊर्जा भी धारण करती हैं। एक परमाणु को उच्च ऊर्जा स्तर तक उत्तेजित किया जा सकता है, जिससे वह ऊर्जा के एक पैकेट को ठीक वैसे ही संग्रहीत कर सकता है जैसे वह डेटा का एक टुकड़ा संग्रहीत कर सकता है। महत्वपूर्ण अंतर यह है कि जबकि सूचना को अक्सर पूर्ण संरक्षण की आवश्यकता होती है, ऊर्जा को नहीं। एक क्वांटम प्रणाली अपनी नाजुक चरण सुसंगति (फेज कोहेरेंस)—वह सिंक्रोनाइज्ड रिदम जो इसे कंप्यूटिंग के लिए उपयोगी बनाती है—खो सकती है और फिर भी अपनी संग्रहीत ऊर्जा को बनाए रख सकती है, जिसे बाद में मुक्त करने के लिए तैयार रखा जा सकता है। इस अहसास ने इस बारे में सोचने का एक नया तरीका शुरू किया है कि हम क्वांटम दुनिया का उपयोग कैसे कर सकते हैं, न केवल गणना करने के लिए, बल्कि अभूतपूर्व सटीकता के साथ ऊर्जा को संचालित करने, संग्रहीत करने और निर्देशित करने के लिए।

मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी और दुनिया भर के संस्थानों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन बिखरे हुए प्रयासों को एक सुसंगत क्षेत्र में संगठित किया है जिसे वे 'क्वांटम एनर्जी साइंस' कहते हैं। उनका कार्य सौर पैनलों या परमाणु बैटरियों जैसे विशिष्ट अनुप्रयोगों को देखने से आगे बढ़कर उन मौलिक क्रियाओं पर ध्यान केंद्रित करता है जो किसी भी ऊर्जा प्रणाली को करना आवश्यक है। वे प्रस्तावित करते हैं कि सभी ऊर्जा प्रबंधन, चाहे वह एक अणु में हो, एक सर्किट में, या एक परमाणु नाभिक में, पाँच बुनियादी क्रियाओं में सिमट जाता है: प्रणाली में ऊर्जा प्राप्त करना, उसे थामे रखना, उसे बाहर छोड़ना, उसे एक स्थान से दूसरे स्थान पर ले जाना, और उसे एक अलग रूप में बदलना। इन मौलिक चरणों में समस्या को तोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक सार्वभौमिक भाषा बनाई है जो प्रकाश संचयन करने वाले पौधों के अध्ययन से लेकर परमाणु प्रतिक्रियाओं के नियंत्रण तक, विविध क्षेत्रों को जोड़ती है।

शोधकर्ताओं का तर्क है कि इस नए विज्ञान की कुंजी क्वांटम अवस्थाओं के बीच होने वाली अंतःक्रिया (इंटरैक्शन) के जानबूझकर किए गए इंजीनियरिंग में निहित है। अतीत में, वैज्ञानिक अक्सर पर्यावरण के विरुद्ध लड़ते थे, ऊर्जा को लीक होने से रोकने के लिए प्रणालियों को अलग करने की कोशिश करते थे। यह नया दृष्टिकोण सुझाव देता है कि पर्यावरण एक उपकरण हो सकता है। अपने परिवेश के साथ एक प्रणाली कैसे जुड़ती है, इसे सावधानीपूर्वक डिजाइन करके, वैज्ञानिक वास्तव में चार्जिंग को तेज करने, संग्रहीत ऊर्जा की रक्षा करने या इसे एक विशिष्ट गंतव्य तक निर्देशित करने के लिए पर्यावरण का उपयोग कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, वे कई परमाणुओं को एक साथ मिलकर कार्य करने के लिए व्यवस्थित कर सकते हैं, जिससे वे अकेले की तुलना में बहुत तेजी से ऊर्जा अवशोषित कर सकते हैं, या वे "डार्क" अवस्थाएं बना सकते हैं जहाँ ऊर्जा सुरक्षित रहती है, उन चैनलों से अदृश्य रहती है जो सामान्यतः इसे बाहर निकलने देती हैं। यह एक पूर्ण क्वांटम अवस्था को हमेशा के लिए संरक्षित करने के बारे में नहीं है; यह शक्ति के प्रवाह को नियंत्रित करने के लिए क्वांटम यांत्रिकी के नियमों का उपयोग करने के बारे में है।

इसे समझने के लिए, लेखक एक ढांचा बताते हैं जो सूक्ष्म तंत्रों को वास्तविक दुनिया की क्षमताओं से जोड़ता है। वे पाँच मौलिक कार्यों की पहचान करते हैं। पहला है "एक्साइट" (उत्तेजित करना), जो केवल एक प्रणाली में ऊर्जा पंप करने की क्रिया है, जैसे इलेक्ट्रॉन को उच्च ऊर्जा स्तर पर धकेलने के लिए लेजर का उपयोग करना। दूसरा है "होल्ड" (थामना), जिसमें उस ऊर्जा को बिना लीक हुए वहां बनाए रखना शामिल है। यह अक्सर सबसे कठिन हिस्सा होता है, क्योंकि प्रकृति उत्तेजित अवस्थाओं को उनकी शांत, निम्न-ऊर्जा अवस्था में वापस जाने देने की प्रवृत्ति रखती है। तीसरा है "रिलीज़" (मुक्त करना), जो संग्रहीत ऊर्जा को कार्य करने के लिए बाहर छोड़ने हेतु एक वाल्व को नियंत्रित रूप से खोलना है। चौथा है "ट्रांसफर" (स्थानांतरण), जो ऊर्जा को प्रणाली के एक हिस्से से दूसरे हिस्से में ले जाता है बिना प्रणाली की सीमा को छोड़े। अंतिम कार्य है "ट्रांसफॉर्म" (रूपांतरण), जहाँ ऊर्जा अपना स्वरूप बदल लेती है, जैसे प्रकाश को बिजली में बदलना या एक रासायनिक प्रतिक्रिया को ट्रिगर करना।

ये कार्य केवल सैद्धांतिक अवधारणाएं नहीं हैं; इनका प्रयोगशालाओं में वास्तविक सामग्रियों के साथ परीक्षण किया जा रहा है। आणविक स्तर पर, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि अणुओं को सूक्ष्म ऑप्टिकल कैविटीज़ के भीतर रखकर, वे ऐसी सामूहिक अवस्थाएँ बना सकते हैं जहाँ अणु व्यक्तिगत रूप से करने की तुलना में बहुत अधिक कुशलता से प्रकाश को अवशोषित करते हैं। एक प्रयोग में, कार्बनिक अणुओं की एक फिल्म को एक ट्रिलियनवें सेकंड से भी कम समय में चार्ज किया गया था, जो व्यक्तिगत अणुओं के लिए संभव है उससे कहीं अधिक तेज गति है। अन्य कार्य ने यह प्रदर्शित किया है कि कैसे लंबी अवधि की आणविक अवस्थाओं में ऊर्जा संग्रहीत की जा सकती है, इसे माइक्रोसेकंड तक सुरक्षित रखने के बाद विद्युत धारा के रूप में मुक्त किया जा सकता है। ये छोटे कदम हैं, लेकिन ये सिद्ध करते हैं कि बुनियादी कार्यों को इंजीनियर किया जा सकता है।

परमाणु नाभिक के पैमाने पर जाने पर चुनौती और भी जटिल हो जाती है। नाभिकों में इलेक्ट्रॉनों की तुलना में बहुत अधिक ऊर्जा होती है, लेकिन उन तक पहुँचना भी बहुत कठिन है। जबकि एक लेजर आसानी से एक इलेक्ट्रॉन को उत्तेजित कर सकता है, एक नाभिक को उत्तेजित करने के लिए अक्सर उच्च-ऊर्जा एक्स-रे या गामा किरणों की आवश्यकता होती है, जिन्हें बनाना और नियंत्रित करना कठिन है। हालांकि, शोधकर्ता बताते हैं कि कुछ परमाणु अवस्थाएँ स्वाभाविक रूप से बहुत स्थिर होती हैं, जो अपनी ऊर्जा को वर्षों या सदियों तक थामे रखती हैं। लक्ष्य इन परमाणु "बैटरीों" को लोड करने का एक तरीका खोजना है और फिर मांग पर उस ऊर्जा को मुक्त करना है। एक आशाजनक मार्ग में $^{229}\text{Th}$ आइसोटोप शामिल है, जिसमें अपेक्षाकृत कम ऊर्जा वाला परमाणु संक्रमण होता है जिसे लेजर द्वारा प्राप्त किया जा सकता है। वैज्ञानिकों ने पहले ही प्रदर्शित किया है कि वे इस नाभिक को उत्तेजित कर सकते हैं और ऊर्जा को सैकड़ों सेकंड तक संग्रहीत किया जा सकता है। अगला कदम यह पता लगाना है कि उस ऊर्जा को कुशलतापूर्वक कैसे मुक्त किया जाए, शायद आसपास के इलेक्ट्रॉनों का उपयोग करके उस रिलीज को ट्रिगर करने में मदद ली जाए।

पेपर यह भी अन्वेषण करता है कि इन कार्यों को तीन प्रमुख इंजीनियरिंग क्षमताओं में कैसे संयोजित किया जा सकता है: भंडारण (स्टोरेज), रूटिंग (मार्गदर्शन), और रूपांतरण (कन्वर्जन)। स्टोरेज ऊर्जा को रखने और उसे बाद में पुनः प्राप्त करने की क्षमता है। जबकि वर्तमान क्वांटम बैटरियां हमारे फोन के लिथियम-आयन सेल की जगह लेने से बहुत दूर हैं, शोधकर्ताओं का सुझाव है कि परमाणु भंडारण भविष्य में रासायनिक बैटरियों की तुलना में हजारों गुना उच्च ऊर्जा घनत्व प्रदान कर सकता है, जिसमें बिना किसी नुकसान के वर्षों तक ऊर्जा बनाए रखने की क्षमता हो। रूटिंग ऊर्जा को एक विशिष्ट गंतव्य तक निर्देशित करने की क्षमता है। प्रकृति में, पौधे इसमें माहिर हैं, ऊर्जा को प्रकाश-संचयन एंटीना से प्रतिक्रिया केंद्रों तक लगभग पूर्ण दक्षता के साथ निर्देशित करते हैं। शोधकर्ता इसे कृत्रिम प्रणालियों में दोहराने के लिए काम कर रहे हैं, प्रकाश या कंपन के साझा मोड का उपयोग करके अणुओं के बीच या यहाँ तक कि दूर स्थित परमाणु स्पिन के बीच ऊर्जा को निर्देशित कर रहे हैं। कन्वर्जन ऊर्जा को एक रूप से दूसरे रूप में बदलने की क्षमता है, जैसे परमाणु ऊर्जा को बिजली में बदलना या किसी विशिष्ट उत्पाद को बनाने के लिए रासायनिक प्रतिक्रिया को निर्देशित करना।

लेखक सावधानी बरतते हैं कि हालांकि भौतिकी सुदृढ़ है, लेकिन इंजीनियरिंग अभी अपने शुरुआती चरण में है। वे "स्ट्रैच सिनेरियो" (विस्तारित परिदृश्य) का एक सेट प्रस्तुत करते हैं ताकि यह दर्शाया जा सके कि अगले एक या दो दशकों में सफलता कैसी दिख सकती है। एक संभावना एक क्वांटम प्रोसेसर की है जो अपने संचालन को शक्ति देने के लिए ऊर्जा के एक साझा पूल का उपयोग करता है, जिससे जटिल वायरिंग और कूलिंग की आवश्यकता कम हो जाती है। एक अन्य संभावना एक परमाणु बैटरी की है जो दशकों तक अंतरिक्ष यान को शक्ति दे सकती है, अपनी ऊर्जा को केवल आवश्यकता पड़ने पर रिचार्ज करती है। वहां ऐसे रासायनिक कारखानों की भी कल्पना की गई है जहाँ प्रकाश का उपयोग प्रतिक्रियाओं को निर्देशित करने के लिए किया जाता है, जिससे केवल वांछित उत्पाद बनता है और अपशिष्ट समाप्त होता है। ये गारंटीकृत परिणाम नहीं हैं, लेकिन वे प्रदर्शन के वे लक्ष्य हैं जो इस तकनीक को वास्तव में उपयोगी बनाएंगे।

जो इस कार्य को महत्वपूर्ण बनाता है वह केवल विशिष्ट परिणाम नहीं हैं, बल्कि यह नया दृष्टिकोण है जो यह प्रदान करता है। विशिष्ट सामग्रियों के बजाय ऊर्जा के कार्यों पर ध्यान केंद्रित करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा मानचित्र बनाया है जो उन समुदायों को जोड़ता है जो शायद ही कभी एक-दूसरे से बात करते हैं। सौर सेल पर काम करने वाला एक वैज्ञानिक, परमाणु भौतिकी पर काम करने वाला दूसरा, और क्वांटम कंप्यूटिंग पर काम करने वाला तीसरा, तीनों एक ही मौलिक समस्या को हल कर रहे होंगे: ऊर्जा को प्रणाली में कैसे प्राप्त किया जाए, उसे वहां कैसे रखा जाए, और उसे वहां कैसे निकाला जाए जहां इसकी आवश्यकता है। यह साझा शब्दावली उन्हें एक-दूसरे की सफलताओं और विफलताओं से सीखने की अनुमति देती है। उदाहरण के लिए, परमाणु अवस्था को क्षय होने से बचाने के लिए उपयोग की जाने वाली तकनीकें सौर सेल में इलेक्ट्रॉन की रक्षा करने के नए तरीके से प्रेरित कर सकती हैं।

आगे बढ़ने के लिए यथार्थवादी परिस्थितियों में इन विचारों का परीक्षण करना आवश्यक होगा। सैद्धांतिक मॉडल सुझाव देते हैं कि सामूहिक प्रभाव चार्जिंग को तेज कर सकते हैं, लेकिन वास्तविक दुनिया की अव्यवस्था और शोर हस्तक्षेप कर सकते हैं। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि लक्ष्य हर कीमत पर पूर्ण क्वांटम सुसंगतता (कोहेरेंस) प्राप्त करना नहीं है, बल्कि एक सही संतुलन खोजना है जहाँ क्वांटम प्रभाव एक व्यावहारिक लाभ प्रदान करें। वे सुझाव देते हैं कि पर्यावरण, जिसे अक्सर दुश्मन माना जाता है, को मदद करने के लिए इंजीनियर किया जा सकता है। अपने परिवेश के साथ एक प्रणाली के संबंध को आकार देकर, वैज्ञानिक अवांछित ऊर्जा हानि को रोक सकते हैं या ऊर्जा को विशिष्ट पथों पर निर्देशित कर सकते हैं। प्रकृति से लड़ने के बजाय उसके साथ मिलकर काम करने का यह बदलाव इस नए दृष्टिकोण का मूल है।

अंततः, पेपर का तर्क है कि क्वांटम एनर्जी साइंस अपने स्वयं के लक्ष्यों और विधियों के साथ एक विशिष्ट क्षेत्र के रूप में परिपक्व हो रहा है। यह अब केवल मौजूदा ऊर्जा समस्याओं पर क्वांटम यांत्रिकी लागू करने के बारे में नहीं है; यह इस बारे में है कि ऊर्जा का प्रबंधन मौलिक स्तर पर कैसे किया जाए। शोधकर्ताओं ने एक ढांचा तैयार किया है जो सूक्ष्म क्वांटम अवस्थाओं की दुनिया को उपयोगी उपकरणों की मैक्रोस्कोपिक दुनिया से जोड़ता है। हालांकि प्रयोगशाला से पावर ग्रिड तक की यात्रा लंबी है, लेकिन पहले कदम उठाए जा रहे हैं। ऊर्जा के पांच मौलिक कार्यों में महारत हासिल करके, मानवता एक दिन पदार्थ के ताने-बाने के भीतर निवास करने वाली शक्ति को संग्रहीत करने, स्थानांतरित करने और उपयोग करने के नए तरीके खोल सकती है।