Quantum Tensor Magnetometry with Bright Multi-Dimensional Entangled Lights

कल्पना कीजिए कि आप एक बहुत ही शोर वाले कमरे में एक फुसफुसाहट सुनने की कोशिश कर रहे हैं। आमतौर पर, "शोर" प्रकाश के कणों (फोटॉन) के आपके कान से टकराने की यादृच्छिक थरथराहट (jitter) से आता है, जिसे वैज्ञानिक "मानक क्वांटम सीमा" (standard quantum limit) कहते हैं। लंबे समय से, क्वांटम भौतिकविदों ने इस शोर को शांत करने की कोशिश की है ताकि वे अत्यंत सूक्ष्म संकेतों को सुन सकें, जैसे कि हमारे मस्तिष्क या पृथ्वी के कोर के आसपास के चुंबकीय क्षेत्र।

अधिकांश पिछले प्रयास एक रेडियो को केवल एक स्टेशन (एक संख्या, जैसे कि चुंबकीय क्षेत्र कितना मजबूत है) सुनने के लिए ट्यून करने जैसे थे। लेकिन वास्तविक जीवन अधिक जटिल है। चुंबकीय क्षेत्र केवल मजबूत या कमजोर नहीं होते; उनके एक दिशा भी होती है। एक ही समय में ताकत और दिशा दोनों को मापना, दो अलग-अलग स्टेशनों को बिना शोर के आपस में मिले स्पष्ट रूप से सुनने के लिए रेडियो को ट्यून करने जैसा है। इसे "टेन्सर" (tensor) माप कहा जाता है, और यह बेहद कठिन है क्योंकि शोर आमतौर पर एक माप को खराब कर देता है।

बड़ी सफलता
इस शोध पत्र में, शंघाई जियाओ टोंग यूनिवर्सिटी और हांग्जो डियानज़ी यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने कहा है कि उन्होंने एक साथ दोनों मापों के लिए शोर को शांत करने का तरीका खोज लिया है। उन्होंने केवल एक बेहतर रेडियो नहीं बनाया; उन्होंने एक विशेष प्रकार का "क्वांटम प्रकाश" बनाया है जो एक सुपर-स्मार्ट, बहु-आयामी जासूस की तरह काम करता है।

"जादुई" प्रकाश
उनकी तकनीक को समझने के लिए, कल्पना कीजिए कि नर्तकों के दो जोड़े हैं। पुराने प्रयोगों में, वैज्ञानिक एक नर्तक को एक बहुत ही शांत, खाली मंच (निर्वात/vacuum) के साथ और दूसरे को एक शोर वाले, चमकीले स्पॉटलाइट (coherent laser beam) के साथ जोड़ते थे। यह एक चीज़ के लिए ठीक काम करता था, लेकिन चमकीला स्पॉटलाइट अपना स्वयं का शोर पैदा करता था, जिससे संगीत बदलने पर शांत नर्तक को स्पष्ट रूप से सुनना असंभव हो जाता था।

लेखक तर्क देते हैं कि यह पुराना तरीका (चमकीले प्रकाश और स्क्वीज़्ड वैक्यूम का मिश्रण) मौलिक रूप से सीमित है। यह एक फुसफुसाहट मापने की कोशिश करने जैसा है जबकि आपके बगल में कोई चिल्ला रहा हो; चिल्लाने की आवाज़ सूक्ष्म विवरणों को दबा देती है।

इसके बजाय, इन शोधकर्ताओं ने कुछ नया बनाया जिसे वे m-CVPE प्रकाश कहते हैं। इसे ऐसे समझें कि यह दो जोड़े नर्तक हैं जो दोनों पूरी तरह से तालमेल में हैं और पूर्ण सामंजस्य के साथ फुसफुसा रहे हैं। उन्होंने इस प्रकाश को परमाणुओं के एक गर्म बादल (जैसे कि घूमते हुए छोटे टॉप्स से भरा एक धुंधला कमरा) और "फोर-वेव मिक्सिंग" नामक प्रक्रिया का उपयोग करके उत्पन्न किया।

उनके प्रकाश का जादू यह है कि यह एक ही समय में तीन अलग-अलग दिशाओं में शोर को दबाता (squeeze) है।

• कल्पना कीजिए कि एक गुब्बारा है। आमतौर पर, यदि आप उसे एक जगह से दबाते हैं, तो वह कहीं और बाहर निकल आता है।
• उनके प्रकाश में, वे एक ही समय में तीन विशिष्ट दिशाओं में "उभार" (शोर) को दबाने में सफल रहे।
• इसका मतलब है कि आप जिस भी दिशा से देखें, यह प्रकाश अविश्वसनीय रूप से शांत है, जिससे वे एक साथ दो चीजों को माप सकते हैं बिना शोर के बाधा डाले।

प्रयोग: एक चुंबकीय ग्रेडियोमीटर
इसका परीक्षण करने के लिए, उन्होंने एक "चुंबकीय ग्रेडियोमीटर" बनाया। कल्पना कीजिए कि दो सेंसर हैं, सेंसर A और सेंसर B, जो एक-दूसरे से बहुत कम दूरी पर रखे गए हैं। वे एक ऐसे चुंबकीय क्षेत्र को देख रहे हैं जो शायद सेंसर A पर सेंसर B की तुलना में थोड़ा अधिक मजबूत हो सकता है, या जिसकी दिशा थोड़ी भिन्न हो सकती है।

• लक्ष्य: शक्ति के अंतर (एम्प्लीट्यूड ग्रेडिएंट) और दिशा के अंतर (डायरेक्शनल ग्रेडिएंट) को मापना।
• पुराना तरीका: इस विशेष प्रकाश के बिना, सेंसर "फोटॉन शॉट शोर" (प्रकाश की यादृच्छिक थरथराहट) से सीमित होते हैं।
• नया तरीका: उन्होंने अपने चमकीले, बहु-आयामी उलझे हुए (entangled) प्रकाश को सेंसरों के माध्यम से प्रवाहित किया।

परिणाम: उन्होंने वास्तव में क्या मापा
शोध पत्र रिपोर्ट करता है कि इस नए प्रकाश का उपयोग करके, उन्होंने 6 dB क्वांटम संवर्धन (enhancement) प्राप्त किया। भौतिकी की दुनिया में, 6 dB सुधार का अर्थ है कि उन्होंने शोर को चार गुना कम कर दिया, जिससे सिग्नल पहले की तुलना में चार गुना अधिक स्पष्ट हो गया।

यहाँ वे सटीक संख्याएँ हैं जिन्हें उन्होंने मापा:

• दिशा संवेदनशीलता (Direction Sensitivity): वे चुंबकीय क्षेत्र की दिशा में 21 µrad/cm/√Hz जितनी छोटी परिवर्तन को भी पहचान सके।
• एम्प्लीट्यूड संवेदनशीलता (Amplitude Sensitivity): वे चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति में 6 fT/cm/√Hz जितने छोटे परिवर्तन को भी पहचान सके।

इसे संदर्भ में रखने के लिए, उनका सेटअप एक मानक सेंसर (जो दिशा के लिए लगभग 50 µrad/cm/√Hz और शक्ति के लिए 11 fT/cm/√Hz तक सीमित था) या यहाँ तक कि एक मानक "ग्रेडियोमीटर" की तुलना में बहुत बेहतर था जो केवल विशेष प्रकाश के बिना दो सेंसरों का उपयोग करता है।

उन्होंने क्या नहीं किया (और वे किसके विरुद्ध तर्क देते हैं)
यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि यह शोध पत्र क्या दावा नहीं कर रहा है:

• उन्होंने यह दावा नहीं किया है कि उन्होंने ब्रह्मांड के प्रत्येक संभावित चुंबकीय क्षेत्र माप की समस्या को हल कर दिया है। उन्होंने विशेष रूप से ग्रेडिएंट के दो घटकों (∂zBz और ∂zBy) को मापा है।
• वे स्पष्ट रूप से इस विचार के विरुद्ध तर्क देते हैं कि आप पुराने "हाइब्रिड" तरीके (चमकीले लेजर बीम के साथ स्क्वीज़्ड लाइट को मिलाकर) का उपयोग करके इस स्तर की समवर्ती संवेदनशीलता प्राप्त कर सकते हैं। वे दिखाते हैं कि पुराने तरीके में, एक दिशा का शोर हमेशा दूसरी दिशा के साथ मिल जाता है, जिससे माप खराब हो जाता है। उनका नया तरीका आवश्यक है क्योंकि यह सभी सही दिशाओं में एक साथ शोर को दबाता है।
• उन्होंने इसे कंप्यूटर पर सिम्युलेट (simulate) नहीं किया। ये वास्तविक, भौतिक माप हैं जो लैब में वास्तविक परमाणुओं और वास्तविक प्रकाश के साथ लिए गए हैं।

निष्कर्ष
यह कार्य एक मील का पत्थर है क्योंकि यह सिद्ध करता है कि हम "चमकीले" क्वांटम प्रकाश (केवल कुछ फोटॉन नहीं, बल्कि बहुत सारे फोटॉन) का उपयोग जटिल, बहु-आयामी चीजों जैसे चुंबकीय क्षेत्र ग्रेडिएंट को अत्यधिक सटीकता के साथ मापने के लिए कर सकते हैं। जबकि लेखक सुझाव देते हैं कि यह अंततः नेविगेशन या रिमोट सेंसिंग में मदद कर सकता है, शोध पत्र स्वयं इस बात पर केंद्रित है कि उन्होंने इन विशिष्ट टेन्सर क्षेत्रों के लिए पहला उच्च-संवेदनशीलता वाला क्वांटम सेंसर सफलतापूर्वक बनाया है।

उन्होंने प्रभावी रूप से फुसफुसाहट की आवाज़ को बढ़ा दिया है और शोर (static) को कम कर दिया है, यह दिखाते हुए कि सही प्रकार के एंटैंगल्ड प्रकाश के साथ, हम ब्रह्मांड के सबसे सूक्ष्म चुंबकीय रहस्यों को पहले की तुलना में बहुत अधिक स्पष्टता से सुन सकते हैं।