Network nonlocality with tripartite entangled sources
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि त्रिपक्षीय एंटैंगल्ड स्रोतों वाले क्वांटम नेटवर्क में नेटवर्क गैर-स्थानीयता (network nonlocality) और एकल-स्रोत गैर-स्थानीयता (single-source nonlocality) के बीच का संबंध मौलिक रूप से नेटवर्क के वायरिंग विन्यास द्वारा निर्धारित होता है, जहाँ विशिष्ट कनेक्शन टोपोलॉजी या तो स्वेटलिचनी उल्लंघन (Svetlichny violations) को बढ़ाती हैं या नेटवर्क-व्यापी गैर-स्थानीयता उत्पन्न करने के लिए मेरमिन उल्लंघन (Mermin violations) की आवश्यकता होती है।
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क्वांटम दुनिया में, कण इस तरह से एक-दूसरे से जुड़ सकते हैं जो हमारे रोज़मर्रा के कारण और प्रभाव के अनुभव को चुनौती देता है। जब दो कण उलझ (entangled) जाते हैं, तो एक का मापन दूसरे के बारे में जानकारी तुरंत प्रकट कर देता है, चाहे वे एक-दूसरे से कितनी भी दूर क्यों न हों। यह घटना, जिसे नॉनलोकैलिटी (nonlocality) कहा जाता है, यह सिद्ध करती है कि ब्रह्मांड को सरल, स्थानीय नियमों द्वारा नहीं समझाया जा सकता जहाँ वस्तुएं केवल अपने आस-पास के परिवेश को प्रभावित करती हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से इस गुण का उपयोग सुरक्षित संचार प्रणालियों के निर्माण और भौतिकी के मौलिक नियमों के परीक्षण के लिए करते आए हैं। हाल ही में, शोधकर्ताओं ने इन उलझे हुए कणों को नेटवर्क में जोड़ने का काम शुरू किया है, जहाँ कई स्वतंत्र स्रोत विभिन्न स्थानों पर कणों का वितरण करते हैं। इन नेटवर्कों में, केंद्रीय चुनौती यह समझना है कि एक एकल स्रोत के विचित्र सहसंबंध (correlations) दूसरों के साथ मिलकर कैसे व्यवहार करते हैं। प्रश्न केवल यह नहीं है कि क्या नेटवर्क काम करता है, बल्कि यह है कि स्रोतों के जुड़ने का विशिष्ट तरीका क्वांटम लिंक की प्रकृति को कैसे बदल देता है।
भौतिक विज्ञान की एक टीम ने अब इस प्रश्न का अन्वेषण करने के लिए उन नेटवर्कों का अध्ययन किया है जो सामान्य जोड़ों के बजाय एक साथ तीन उलझे हुए कणों को उत्सर्जित करने वाले स्रोतों से निर्मित होते हैं। उन्होंने पाया कि उत्तर पूरी तरह से नेटवर्क की वास्तुकला (architecture) पर निर्भर करता है, विशेष रूप से इस पर कि कणों को स्रोतों और पर्यवेक्षकों के बीच कैसे भेजा जाता है। शोधकर्ताओं ने इन तीन-कण स्रोतों को तारबद्ध करने के दो अलग-अलग तरीकों का परीक्षण किया। पहले सेटअप में, जिसे क्लोज्ड नेटवर्क (closed network) कहा जाता है, दो केंद्रीय स्टेशन प्रत्येक स्रोत से एक-एक कण प्राप्त करते हैं, जबकि प्रत्येक स्रोत का तीसरा कण किनारे पर स्थित एक अलग पर्यवेक्षक के पास जाता है। दूसरे सेटअप में, जिसे ओपन नेटवर्क (open network) कहा जाता है, एक एकल केंद्रीय स्टेशन प्रत्येक स्रोत से एक कण प्राप्त करता है, जबकि प्रत्येक स्रोत के अन्य दो कण अलग-अलग किनारे के पर्यवेक्षकों के पास जाते हैं। अध्ययन यह प्रकट करता है कि ये दो वायरिंग पैटर्न फिल्टर के रूप में कार्य करते हैं, जो क्वांटम विचित्रता के विभिन्न प्रकारों को गुजरने देते हैं जबकि अन्य को रोक देते हैं।
शोधकर्ताओं ने पाया कि क्लोज्ड नेटवर्क में, प्रणाली अत्यंत सुदृढ़ है। यदि मूल तीन-कण स्रोत में 'जेन्युइन ट्रिपार्टाइट नॉनलोकैलिटी' (genuine tripartite nonlocality) नामक एक विशिष्ट, प्रबल रूप की नॉनलोकैलिटी है, तो नेटवर्क निश्चित रूप से स्थानीय नियमों का उल्लंघन दिखाएगा। हालाँकि, इसका उल्टा सत्य नहीं है: नेटवर्क तब भी उल्लंघन दिखा सकता है जब स्रोत में इस प्रबल रूप की नॉनलोकैलिटी मौजूद न हो। वास्तव में, नेटवर्क द्वारा कई प्रकार की अवस्थाओं (states) द्वारा उल्लंघन किया जाता है, जिनमें वे अवस्थाएं भी शामिल हैं जो केवल आंशिक रूप से उलझी हुई हैं या जिनमें शोर (noise) है। यह सुझाव देता है कि क्लोजed नेटवर्क क्वांटम सहसंबंधों का पता लगाने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है, क्योंकि यह उन संकेतों को भी प्रवर्धित (amplify) कर सकता है जो एकल स्रोत में पकड़ने के लिए बहुत कमजोर हो सकते हैं। इस सेटअप के केंद्रीय स्टेशन एक विशिष्ट प्रकार का संयुक्त मापन (joint measurement) करते हैं जो एक ही बार में सभी आवश्यक जानकारी को पढ़ लेता है, जिससे उन सीमाओं को प्रभावी ढंग से दरकिनार किया जा सके जो आमतौर पर एकल-स्रोत परीक्षणों को प्रतिबंधित करती हैं।
इसके विपरीत, ओपन नेटवर्क इसके बिल्कुल विपरीत व्यवहार करता है। यहाँ, नेटवर्क के प्रदर्शन और स्रोत के गुणों के बीच का संबंध बहुत सख्त है। नेटवर्क द्वारा स्थानीय नियमों के उल्लंघन को दिखाने के लिए, एकल स्रोत में पहले से ही नॉनलोकैलिटी का एक विशिष्ट, कमजोर रूप मौजूद होना चाहिए। यदि स्रोत इस परीक्षण में विफल रहता है, तो नेटवर्क भी विफल हो जाएगा, चाहे मापन की व्यवस्था कैसी भी हो। यह सेटअप एक द्वारपाल (gatekeeper) की तरह कार्य करता है, यह सुनिश्चित करता है कि केवल वे स्रोत जिनमें एक निश्चित आधारभूत क्वांटम सहसंबंध है, ही एक नॉनलोकल नेटवर्क बना सकें। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह संबंध केवल एक सैद्धांतिक संभावना नहीं है, बल्कि उनके द्वारा अध्ययन किए गए मापन के प्रकारों के लिए एक गणितीय निश्चितता है। इस नेटवर्क में एकल केंद्रीय स्टेशन को एक समझौता करना पड़ता है क्योंकि इसे एक साथ लंबवत दिशाओं (perpendicular directions) से जानकारी निकालनी होती है, एक ऐसा प्रतिबंध जो उन सहसंबंधों की शक्ति को सीमित करता है जिन्हें यह प्रकट कर सकता है।
अध्ययन ने स्रोतों की संख्या से संबंधित एक आश्चर्यजनक प्रभाव का भी पता लगाया। जब नेटवर्क को स्रोतों की सम संख्या (even number) के साथ बनाया जाता है, तो प्रणाली अपने सैद्धांतिक अधिकतम स्तर पर प्रदर्शन करती है। हालाँकि, विषम संख्या (odd number) के स्रोत जोड़ने से अधिकतम संभव उल्लंघन काफी कम हो जाता है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि केंद्रीय स्टेशनों के पास स्विच करने के लिए सेटिंग्स का कोई विकल्प नहीं होता, और उन्हें कणों के परस्पर विरोधी गुणों को मापने के लिए मजबूर किया जाता है। विषम संख्या के साथ, ये गुण इस तरह से टकराते हैं कि वे नेटवर्क को सम संख्या के समान सहसंबंध स्तर तक पहुँचने से रोक देते हैं। यह पैरिटी प्रभाव (parity effect) उपयोग की जा रही विशिष्ट क्वांटम अवस्थाओं के बावजूद बना रहता है, जो इन नेटवर्कों में सूचना को संसाधित करने के तरीके में एक मौलिक सीमा का संकेत देता है।
इसके अलावा, शोधकर्ताओं ने इस बात की जांच की कि नेटवर्क से गुजरने के बाद एंटैंगलमेंट (entanglement) का क्या होता है। तीन-कण स्रोतों वाले क्लोज्ड नेटवर्क में, किनारे के पर्यवेक्षकों के बीच अंततः दिखने वाला एंटैंगलमेंट तभी प्रकट होता है जब दोनों केंद्रीय स्टेशनों के परिणामों को जोड़ा जाता है। यदि केवल एक केंद्रीय स्टेशन के परिणाम को देखा जाए, तो किनारे के पर्यवेक्षकों के बीच कोई एंटैंगलमेंट नहीं दिखता है। इसका अर्थ है कि क्वांटम लिंक तब तक छिपा रहता है जब तक कि दोनों केंद्रीय स्टेशन अपना डेटा साझा नहीं कर लेते। यह विशेषता दो-कण स्रोतों वाले नेटवर्कों से भिन्न है, जहाँ एंटैंगलमेंट को कभी-कभी कम सख्त शर्तों के साथ स्वैप (swap) किया जा सकता है। निष्कर्ष बताते हैं कि मल्टीपार्टाइट स्रोतों को तारबद्ध करने का तरीका मौलिक रूप से यह तय करता है कि नेटवर्क किस प्रकार की नॉनलोकैलिटी को विरासत में प्राप्त करता है, जो भविष्य के क्वांटम इंटरनेट इंफ्रास्ट्रक्चर को डिजाइन करने के लिए एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है।
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