Gravitationally Mediated Entanglement in Interferometers with Repeated Splitting

आधुनिक भौतिकी के दो महान स्तंभों—क्वांटम यांत्रिकी, जो अत्यंत सूक्ष्म चीजों को नियंत्रित करती है, और गुरुत्वाकर्षण, जो अत्यंत विशाल चीजों को नियंत्रित करता है—के बीच का संबंध विज्ञान के सबसे गहन रहस्यों में से एक बना हुआ है। दशकों से, भौतिकविद् यह सोचने में लगे हैं कि क्या गुरुत्वाकर्षण स्वयं एक क्वांटम बल है, जो कणों को उलझाने (entangle करने) में सक्षम है, ठीक वैसे ही जैसे प्रकाश या चुंबकत्व कर सकते हैं। मानक दृष्टिकोण बताता है कि यदि दो वस्तुएं केवल अपने गुरुत्वाकर्षण खिंचाव के माध्यम से आपस में उलझती (entangled होती) हैं, तो गुरुत्वाकर्षण का स्वरूप अनिवार्य रूप से क्वांटम होना चाहिए। हालांकि, इसका परीक्षण करना अविश्वसनीय रूप से कठिन है क्योंकि गुरुत्वाकर्षण सभी बलों में सबसे कमजोर है, और इसके द्वारा उत्पन्न होने वाले क्वांटम प्रभाव पर्यावरणीय शोर (environmental noise) के कारण आसानी से समाप्त हो सकते हैं। इस समस्या से निपटने के लिए, शोधकर्ताओं ने मैटर-वेव इंटरफेरोमेट्री (matter-wave interferometry) का उपयोग करने का प्रस्ताव दिया है, जो एक ऐसी तकनीक है जहाँ सूक्ष्म वस्तुओं को "सुपरपोजिशन" की स्थिति में रखा जाता है, जिससे वे प्रभावी रूप से एक ही समय में दो स्थानों पर मौजूद होती हैं। यदि ऐसी दो वस्तुएं, जो अंतरिक्ष में अलग-अलग स्थित हैं, केवल गुरुत्वाकर्षण के माध्यम से परस्पर क्रिया करती हैं और उलझ जाती हैं, तो यह एक शक्तिशाली संकेत होगा कि गुरुत्वाकर्षण क्वांटम नियमों के अनुसार कार्य करता है।

यूनिवर्सिटी कॉलेज लंदन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस विचार के एक अधिक जटिल संस्करण की खोज की है, जिसमें यह पूछा गया है कि क्या इन वस्तुओं को अधिक पथों (paths) में विभाजित करने से क्वांटम सिग्नल मजबूत हो सकता है। अपने अध्ययन में, उन्होंने एक ऐसे प्रोटोकॉल का विश्लेषण किया जहाँ इन वस्तुओं को न केवल दो पथों में विभाजित किया जाता है, बल्कि उन्हें बार-बार विभाजित किया जाता है, जिससे उनके संभावित मार्गों की संख्या दोगुनी हो जाती है। विशिष्ट मापदंडों के साथ इस प्रक्रिया का अनुकरण (simulation) करके, उन्होंने पाया कि इन अतिरिक्त विभाजन चरणों को जोड़ने से नाजुक क्वांटम संबंध नष्ट नहीं होता है; इसके बजाय, यह उत्पन्न होने वाले एंटैंगलमेंट (entanglement) की मात्रा को काफी बढ़ा सकता है, यहाँ तक कि उस पर्यावरणीय शोर की उपस्थिति में भी जो आमतौर पर ऐसे प्रभावों को खत्म कर देता है।

उनके कार्य का मुख्य केंद्र दो छोटे गोलों के साथ एक विचार प्रयोग (thought experiment) है, जिनमें से प्रत्येक एक क्वांटम कण के रूप में कार्य करता है। कल्पना कीजिए कि इन गोलों को निर्वात (vacuum) में रखा गया है, जो एक-दूसरे से 500 माइक्रोमीटर की दूरी पर हैं। शोधकर्ताओं ने एक विधि प्रस्तावित की जहाँ प्रत्येक गोले को नियंत्रित "विभाजनों" की एक श्रृंखला के अधीन किया जाता है। पहले विभाजन में, एक चुंबकीय क्षेत्र गोले को दो अलग-अलग पथों में धकेलता है। एक मानक प्रयोग में, ये पथ अंततः यह देखने के लिए पुनर्संयोजित (recombine) होंगे कि क्या गोला अपने साथी के साथ उलझ गया है। लेकिन इस नए प्रस्ताव में, शोधकर्ताओं ने पथों को फिर से विभाजित करने का सुझाव दिया। पहले विभाजन के बाद जब दो पथ बनते हैं, तो दूसरा ऑपरेशन उन दोनों पथों को फिर से विभाजित करता है, जिससे चार पथ बन जाते हैं। तीसरा विभाजन आठ पथ बनाएगा, और इसी तरह। प्रत्येक बार जब पथ विभाजित होते हैं, तो मार्गों की संख्या दोगुनी हो जाती है, जिससे संभावनाओं का एक जटिल जाल बन जाता है जहाँ दोनों द्रव्यमान एक साथ कई अलग-अलग दूरियों पर गुरुत्वाकर्षण के माध्यम से परस्पर क्रिया करते हैं।

शोधकर्ता इस बात को लेकर चिंतित थे कि क्या यह बढ़ी हुई जटिलता एक दोधारी तलवार साबित हो सकती है। अधिक पथों का अर्थ है पर्यावरण द्वारा प्रणाली को बाधित करने के अधिक अवसर, जो क्वांटम एंटैंगलमेंट को मापने से पहले ही नष्ट कर सकता है। उन्होंने दो समान डायमंड (हीरे के) गोलों का उपयोग करके इस प्रणाली का मॉडल तैयार किया, जिनमें से प्रत्येक का द्रव्यमान 1.5 × 10⁻¹⁴ किलोग्राम था—एक ऐसा द्रव्यमान जो मापने योग्य गुरुत्वाकर्षण खिंचाव रखने के लिए पर्याप्त बड़ा है लेकिन क्वांटम व्यवहार बनाए रखने के लिए पर्याप्त छोटा भी है। उन्होंने 10 सेकंड की अवधि के दौरान इन गोलों की यात्रा का अनुकरण किया, जिसमें उनके बीच के गुरुत्वाकर्षण आकर्षण और पर्यावरण के कारण होने वाले अपरिहार्य "डिकोहेरेंस" (decoherence) को भी ध्यान में रखा गया, जिसे उन्होंने प्रति सेकंड 0.005 से 0.030 की शोर दर के रूप में मॉडल किया।

उनके विश्लेषण ने क्वांटम संबंध में एक आश्चर्यजनक लचीलेपन को प्रकट किया। उन्होंने पाया कि गुरुत्वाकर्षण संपर्क से उत्पन्न एंटैंगलमेंट तब आसानी से नष्ट नहीं होता जब पथों की संख्या बढ़ती है। वास्तव में, सिमुलेशन ने दिखाया कि दो-विभाजन (two-split) प्रोटोकॉल ने उनके द्वारा परीक्षण किए गए सभी शोर स्तरों पर एकल-विभाजन (single-split) संस्करण की तुलना में काफी अधिक एंटैंगलमेंट उत्पन्न किया। यहाँ तक कि सबसे शोर वाले परिदृश्य में भी, जहाँ वातावरण इस संबंध को तोड़ने की पूरी कोशिश कर रहा था, दो-विभाजन पद्धति ने कहीं अधिक मजबूत क्वांटम लिंक प्रदर्शित किया। शोधकर्ताओं ने यह सिद्ध करने के लिए एक गणितीय शर्त निकाली कि विभाजन जोड़ने से एंटैंगलमेंट एक निश्चित बिंदु से नीचे नहीं गिर सकता, जो प्रभावी रूप से गारंटी देता है कि क्वांटम संबंध बना रहता है।

इसे व्यावहारिक बनाने के लिए, टीम ने परिणामों को पढ़ने के तरीके पर भी विचार किया। एक आदर्श दुनिया में, प्रयोग प्रत्येक गोले द्वारा लिए गए पथ का विस्तृत रिकॉर्ड रखेगा, जिससे वैज्ञानिक पूर्ण क्वांटम अवस्था का पुनर्निर्माण कर सकेंगे। हालाँकि, एक अधिक यथार्थवादी परिदृश्य में जहाँ प्रणाली की आंतरिक स्मृति केवल दो अवस्थाओं तक सीमित है, पथों को सिग्नल निकालने के लिए एक विशिष्ट तरीके से पुनर्ससंयोजित करना होगा। शोधकर्ताओं ने एक सटीक परीक्षण विकसित किया, जो एक विशिष्ट गणितीय जांच पर आधारित है, यह निर्धारित करने के लिए कि क्या यह पुनर्संयोजित सिग्नल सरल प्रयोग की तुलना में अधिक एंटैंगलमेंट दिखाएगा। उनके सिमुलेशन ने पुष्टि की कि इस सीमित रीडआउट के साथ भी, दो-विभाजन प्रोटोकॉल एकल-विभाजन वाले प्रोटोकॉल से बेहतर प्रदर्शन करता है। 10 सेकंड के सिमुलेशन के अंत में, एकल-विभाजन पद्धति ने बहुत कमजोर क्वांटम संबंध दिखाया, जबकि दो-विभासन पद्धति ने समान पर्यावरणीय शोर के बावजूद लगभग तीन गुना अधिक मजबूत संबंध दिखाया।

अध्ययन ने इस महत्वपूर्ण प्रश्न को भी संबोधित किया: क्या विभाजनों की अतिरिक्त जटिलता एंटैंगलमेंट के टिकने के समय को कम करती है? शोधकर्ताओं ने सिद्ध किया कि ऐसा नहीं है। उन्होंने दिखाया कि यदि प्रणाली पहले विभाजन के बाद उलझी हुई (entangled) है, तो वह दूसरे विभाजन के बाद भी उलझी रहेगी, चाहे गुरुत्वाकर्षण चरण (gravitational phases) कुछ भी संचित हों। इसका अर्थ यह है कि विभाजन के चरणों को जोड़ने से क्वांटम अवस्था अधिक नाजुक नहीं होती; बल्कि यह गुरुत्वाकर्षण संपर्क को एक मजबूत बंधन बनाने के लिए अधिक "स्थान" प्रदान करता है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि हालांकि उनका कार्य वर्तमान में एक सिमुलेशन है, लेकिन उनके द्वारा उपयोग किए गए भौतिक पैरामीटर, जैसे कि गोलों का द्रव्यमान और चुंबकीय प्रवणता (magnetic gradients) की शक्ति, भविष्य के प्रयोगों के लिए प्रस्तावित दायरे के भीतर हैं।

यह कार्य गुरुत्वाकर्षण की क्वांटम प्रकृति की जांच के लिए एक नया दिशा सुझाता है। एक एकल, पूर्ण संपर्क को अलग करने के प्रयास के बजाय, वैज्ञानिक कई, बार-बार होने वाले संपर्कों की शक्ति का लाभ उठाने में सक्षम हो सकते हैं। निष्कर्ष बताते हैं कि प्रयोग की ज्यामिति (geometry)—जो पथ कण लेते हैं उनकी संख्या—एक महत्वपूर्ण डिजाइन विकल्प है। इन पथों को सावधानीपूर्वक व्यवस्थित करके, शोधकर्ता शोर की सीमाओं को पार कर सकते हैं और गुरुत्वाकर्षण की मंद क्वांटम फुसफुसाहट (quantum whispers) का पता लगा सकते हैं। अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि उसने क्वांटम गुरुत्वाकर्षण का पता लगा लिया है, लेकिन यह एक मजबूत सैद्धांतिक ढांचा और उन स्पष्ट स्थितियों का मार्ग प्रदान करता है जिनके तहत भविष्य के प्रयोग सफल हो सकते हैं। यह अधिक संवेदनशील परीक्षणों के निर्माण के लिए एक रोडमैप प्रदान करता है, जो दिखाता है कि सही विन्यास के साथ, गुरुत्वाकर्षण की क्वांटम प्रकृति हमारे सर्वश्रेष्ठ इंटरफेरोमीटर की पहुंच के भीतर हो सकती है।