Single-photon time qubit: Quantum-vacuum control and complementarity of the arrow of time
यह शोधपत्र सैद्धांतिक रूप से एक एकल-फोटॉन समय क्यूबिट (single-photon time qubit) को सूत्रबद्ध और प्रयोगात्मक रूप से मान्य करता है जो यह दर्शाता है कि कैसे चरण-सुलझा हुआ व्यतिकरण (phase-resolved interferometry) उत्तेजित विकास को उलट सकता है और समय के तीर (arrow of time) को एक नियंत्रणीय क्वांटम चर के रूप में व्यवहार करते हुए, दिशात्मक सूचना और निर्वात उतार-चढ़ाव (vacuum fluctuations) के बीच एक सटीक तरंग-कण पूरकता स्थापित कर सकता है।
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भौतिकी के मानक नियमों में, समय को आमतौर पर एक शांत, अपरिवर्तनीय पृष्ठभूमि के रूप में माना जाता है। यह दीवार पर लगी उस घड़ी की तरह है जो एक स्थिर गति से आगे बढ़ती है, जो यह मापती है कि एक कण कितनी देर तक चलता है या एक क्षेत्र (field) कैसे बदलता है, लेकिन इसे कभी भी किसी भौतिक वस्तु की तरह पकड़ी जाने वाली, घुमाई जाने वाली या उलटी जाने वाली चीज़ नहीं माना जाता है। जबकि वैज्ञानिक एक कण की स्थिति या एक परमाणु के स्पिन को माप सकते हैं, समय स्वयं एक स्थिर पैरामीटर बना हुआ है, एक एकतरफा रास्ता जिसे एक चर (variable) के रूप में प्रवेश नहीं किया जा सकता। यह क्वांटम भौतिकी में एक गहरा पहेली पैदा करता है: यदि प्रकृति के मौलिक नियम आगे या पीछे चलने में समान रूप से प्रभावी हैं, तो हमारा अनुभव केवल एक ही दिशा में क्यों चलता है? दशकों से, शोधकर्ता इस विचार की कल्पना करने का प्रयास कर रहे हैं कि समय को एक निश्चित नियम के रूप में नहीं, बल्कि एक क्वांटम गुण के रूप में माना जाए जो सुपरपोजिशन (superposition) में अस्तित्व रख सके, जिससे एक प्रणाली एक साथ दो विपरीत दिशाओं में विकसित हो सके।
भौधों की एक टीम ने अब इस विचार को एक सैद्धांतिक वैचारिक प्रयोग से एक कार्यशील प्रयोगशाला वास्तविकता में बदल दिया है। एक विशेष ऑप्टिकल उपकरण बनाकर, उन्होंने एक एकल फोटॉन बनाया है जो एक "टाइम क्यूबिट" (time qubit) वहन करता है, एक क्वांटम बिट जो समय की दिशा को ही एनकोड करता है। इस प्रयोग में, शोधकर्ताओं ने न केवल समय का अवलोकन किया; उन्होंने सक्रिय रूप से इसे नियंत्रित किया, एक फोटॉन के विकास के प्रवाह को आगे से पीछे और फिर से आगे की ओर बदला। उन्होंने यह प्रदर्शित किया कि खाली स्थान (empty space) से एक फोटॉन के निर्माण के दौरान प्रकाश तरंगों के चरण (phase) को सावधानीपूर्वक हेरफेर करके, वे उस फोटॉन को इस तरह विकसित होने के लिए मजबूर कर सकते हैं जैसे समय उल्टा चल रहा हो। यह उपलब्धि सिद्ध करती है कि समय के तीर (arrow of time) को एक नियंत्रणीय क्वांटम चर के रूप में माना जा सकता है, जो ब्रह्मांड की गहरी समरूपताओं (symmetries) के परीक्षण और भविष्य के क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए एक नया द्वार खोलता है जो समय-आधारित तर्क पर संचालित होते हैं।
इस सफलता की यात्रा एक भौतिक विज्ञानी ब्लॉक द्वारा दिए गए एक सैद्धांतिक प्रस्ताव के साथ शुरू हुई, जिन्होंने एक "टाइम क्यूबिट" की कल्पना एक द्वि-स्तरीय प्रणाली (two-level system) के रूप में की थी, जो एक सिक्के के समान है जो सिर या पूंछ हो सकता है, लेकिन जहाँ दोनों पक्ष आगे और पीछे के समय के विकास का प्रतिनिधित्व करते हैं। वर्षों तक, यह एक गणितीय अवधारणा, एक "गेडांकेनएक्सपेरिमेंट" (gedankenexperiment) या वैचारिक प्रयोग बना रहा, क्योंकि कोई नहीं जानता था कि पहले से मौजूद कणों पर निर्भर हुए बिना इसे कैसे बनाया जाए। चुनौती एक ऐसा कण उत्पन्न करने की थी जो एक साथ आगे और पीछे की ओर समय में चलते हुए अस्तित्व में रह सके, और फिर उस नाजुक क्वांटम सूचना को नष्ट किए बिना उस अवस्था को मापना था। कोरिया de University के शोधकर्ताओं ने, तै ह्यून यून के नेतृत्व में, पिछले विचारों के निष्क्रिय सेटअप के स्थान पर एक सक्रिय प्रणाली का उपयोग करके इसे हल किया जो क्वांटम वैक्यूम से फोटॉन का निर्माण करती है।
अपने प्रयोग में, टीम ने मैक-ज़ेन्डर इंटरफेरोमीटर (Mach-Zehnder interferometer) नामक एक उपकरण का उपयोग किया, जो प्रकाशिकी का एक क्लासिक सेटअप है जहाँ प्रकाश की एक किरण को दो पथों में विभाजित किया जाता है और फिर पुन: संयोजित किया जाता है। हालाँकि, पहले से चल रहे एकल फोटॉन को विभाजित करने के बजाय, उन्होंने प्रारंभिक बीम स्प्लिटर को 'पीरियडिकली पोल्ड लिथियम नाइओबेट' नामक सामग्री के दो समानांतर क्रिस्टलों से बदल दिया। इन क्रिस्टलों को एक शक्तिशाली, पल्स्ड लेजर द्वारा संचालित किया जा रहा था और एक निरंतर, स्थिर लेजर बीम द्वारा सीड (seed) किया गया था। जब पल्स्ड लेजर क्रिस्टल से टकराया, तो इसने एक ऐसी प्रक्रिया को सक्रिय किया जहाँ फोटॉन के जोड़े शून्य (vacuum) से स्वतः उत्पन्न हुए। प्रत्येक जोड़े में से एक फोटॉन 'सिग्नल फोटॉन' था, और दूसरा 'इडलर फोटॉन' था। दो क्रिस्टलों पर टकराने वाले लेजरों के समय और चरण (phase) को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, शोधकर्ता यह नियंत्रित कर सके कि ये नए फोटॉन कैसे जन्म लेते हैं।
समय के तीर को नियंत्रित करने की कुंजी लेजर और क्रिस्टल के बीच चरण संबंध (phase relationship) में निहित थी। शोधकर्ताओं ने पाया कि एक क्रिस्टल में दूसरे के सापेक्ष सीड लेजर के चरण को एक विशिष्ट मात्रा में बदलकर, वे सिग्नल फोटॉन के विकास के तरीके को उलट सकते थे। एक पथ में, फोटॉन सामान्य रूप से विकसित हुआ, जैसे कि समय आगे बढ़ रहा हो। दूसरे पथ में, उसी गणितीय ऑपरेशन ने फोटॉन को इस तरह विकसित होने के लिए मजबूर किया जैसे कि समय उल्टा चल रहा हो। यह परिप्रेक्ष्य का भ्रम नहीं था; दूसरा पथ वाला फोटॉन गणितीय रूप रूप से उस फोटॉन के समान था जिसे समय में पीछे भेजा गया था। आगे और पीछे के समय का प्रतिनिधित्व करने वाले इन दो पथों को अंत में इंटरफेरोमीटर पर पुन: संयोजित किया गया।
इस प्रयोग को जो वास्तव में अद्वितीय बनाता था, वह था कि शोधकर्ताओं ने "व्हिच-वे" (which-way) जानकारी को कैसे संभाला। क्वांटम यांत्रिकी में, यदि आप जानते हैं कि एक कण ने कौन सा पथ लिया है, तो इंटरफरेंस पैटर्न जो इसके तरंग-तुल्य प्रकृति को सिद्ध करता है, गायब हो जाता है। इस मामले में, "पथ" समय की दिशा थी। शोधकर्ताओं ने पाया कि इडलर फोटॉन के वैक्यूम उतार-चढ़ाव (fluctuations) इस बात का रिकॉर्ड रखते थे कि सिग्नल फोटॉन ने समय की कौन सी दिशा ली थी। यदि इडलर फोटॉन को अकेला छोड़ दिया जाता, तो वे यह प्रकट कर देते कि सिग्नल फोटॉन आगे की ओर बढ़ा या पीछे की ओर, जिससे सुपरपोजिशन नष्ट हो जाता। हालाँकि, फोटॉन के निर्माण को उत्तेजित करने के लिए एक साझा, सुसंगत (coherent) सीड लेजर का उपयोग करके, शोधकर्ता इस जानकारी को मिटा सके। सीड लेजर ने दोनों पथों को अविभेदनीय (indistinguishable) बना दिया, जिससे सिग्नल फोटॉन एक साथ आगे और पीछे की ओर बढ़ने के शुद्ध क्वांटम सुपरपोजिशन में अस्तित्व में रह सका।
टीम ने इंटरफरेंस पैटर्न की दृश्यता (visibility) को मापकर इसकी पुष्टि की। उन्होंने सीड लेजर की शक्ति और समय के सुपरपोजिशन की स्पष्टता के बीच एक सटीक संबंध पाया। जब सीड कमजोर था, तो वैक्यूम उतार-चढ़ाव हावी थे, और फोटॉन एक निश्चित समय दिशा वाले शास्त्रीय वस्तु की तरह व्यवहार करता था। जैसे-जैसे उन्होंने सीड की शक्ति बढ़ाई, "व्हिच-वे" जानकारी मिट गई, और फोटॉन शुद्ध क्वांटम सुपरपोजिशन की अवस्था में आ गया, जहाँ समय का तीर अब स्थिर नहीं था। इसने पूरकता (complementarity) के एक मौलिक नियम की पुष्टि की: आप समय की दिशा के बारे में जितना अधिक जानते हैं, उतना ही कम आप समय के तरंग-तुल्य हस्तक्षेप को देख सकते हैं, और इसके विपरीत।
शोधकर्ताओं ने यह भी प्रदर्शित किया कि वे इस टाइम क्यूबिट पर सार्वभौमिक संचालन (universal operations) कर सकते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक कंप्यूटर मानक बिट पर लॉजिक गेट्स का संचालन करता है। सीड लेजर के चरण को समायोजित करके, वे टाइम क्यूबिट की अवस्था को घुमा सकते थे, एक शुद्ध 'फॉरवर्ड-टाइम' अवस्था को 'बैकवर्ड-टाइम' अवस्था में बदल सकते थे, या दोनों का जटिल मिश्रण बना सकते थे। उन्होंने दिखाया कि वे डेटा को त्यागने या दुर्लभ संयोगों की प्रतीक्षा किए बिना टाइम क्यूबिट की अवस्था को माप सकते हैं, जो पिछली विधियों के साथ असंभव था। इसने उन्हें सीधे "लोशमिट इको" (Loschmidt echo) को मापने की अनुमति दी, जो एक ऐसी मात्रा है जो बताती है कि किसी प्रणाली को समय में कितनी अच्छी तरह से उलटा जा सकता है, जिससे भौतिक नियमों की प्रतिवर्तीता (reversibility) का परीक्षण करने का एक नया तरीका मिला।
इस प्रयोग ने क्वांटम भौतिकी में समय के बारे में सोचने के कई अलग-अलग तरीकों को एकीकृत किया। इसने टाइम क्यूबिट के विचार, एक रिलेशनल क्लॉक (relational clock) की अवधारणा जहाँ समय प्रणालियों के बीच संबंध द्वारा परिभाषित होता है, और समय और आवृत्ति के निरंतर तरंग-तुल्य विवरण को एक साथ लाया। एक फ्रीक्वेंसी कॉम्ब (frequency comb)—एक लेजर जो समान रूप से अंतराल वाली आवृत्तियों का स्पेक्ट्रम उत्पन्न करता है—से टाइम क्यूबिट को जोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी प्रणाली बनाई जहाँ समय के असतत (discrete) चरणों और समय के निरंतर प्रवाह का एक ही मापने योग्य उपकरण में सह-अस्तित्व था। यह एकीकरण यह सुझाव देता है कि समय का तीर ब्रह्मांड की एक मौलिक, अपरिवर्तनीय विशेषता नहीं है, बल्कि एक गुण है जिसे सही क्वांटम स्थितियों के तहत हेरफेर, नियंत्रित और यहाँ तक कि उल्टा भी किया जा सकता है।
इस कार्य के निहितार्थ प्रयोगशाला से परे तक विस्तृत हैं। क्वांटम स्तर पर समय की दिशा को नियंत्रित करने की क्षमता अधिक त्रुटि-मुक्त क्वांटम सेंसर और कंप्यूटरों के नए प्रकारों की ओर ले जा सकती है। यह जटिल भौतिक प्रणालियों, जैसे कि प्रारंभिक ब्रह्मांड या ब्लैक होल के पास पाई जाने वाली प्रणालियों के अनुकरण (simulate) के लिए भी एक नया तरीका प्रदान करता है, जहाँ समय का प्रवाह हमारे रोजमर्रा के अनुभव से भिन्न व्यवहार करता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि समय का तीर एक कठोर दीवार नहीं है, बल्कि एक डायल है जिसे घुमाया जा सकता है, जो एक ऐसे भविष्य के द्वार खोलता है जहाँ समय के ताने-बाने को व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए इंजीनियर किया जा सकता है। यह कार्य क्वांटम ऑप्टिक्स की उस शक्ति का प्रमाण है जो अमूर्त सैद्धांतिक अवधारणाओं को मूर्त, नियंत्रणीय वास्तविकता में बदलने की क्षमता रखती है, यह सिद्ध करती है कि हमारे ब्रह्मांड के सबसे मौलिक पहलू भी क्वांटम यांत्रिकी के नियमों के अधीन हैं।
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