Cosmic muon arrival directions as a source of entropy

भौतिकी के शांत कोनों में, आकाश से गिरते कणों की एक निरंतर, अदृश्य वर्षा होती है। ये कॉस्मिक म्यूऑन (cosmic muons) हैं, जो गहरे अंतरिक्ष से आने वाले उच्च-ऊर्जा कणों के पृथ्वी के वायुमंडल से टकराने पर उत्पन्न होने वाले उप-परमाणु अवशेष हैं। वे केवल यादृच्छिक शोर (random noise) नहीं हैं; वे हिंसक ब्रह्मांडीय घटनाओं के अवशेष हैं, जो प्रकाश की गति के लगभग बराबर गति से यात्रा करते हैं। दशकों से, वैज्ञानिकों ने ब्रह्मांड का अध्ययन करने के लिए इन कणों का उपयोग किया है, लेकिन एक नई जांच एक अलग प्रश्न पूछती है: क्या एक अकेले म्यूऑन के अप्रत्याशित पथ का उपयोग पूर्ण यादृच्छिकता (perfect randomness) बनाने के लिए किया जा सकता है? यह अत्यंत व्यावहारिक महत्व का प्रश्न है। डिजिटल दुनिया में, यादृच्छिकता सुरक्षा की आधारशिला है। यह हमारे बैंक खातों की रक्षा करती है, हमारे संचार को सुरक्षित करती है, और उन परीक्षणों का आधार बनती है जो क्वांटम यांत्रिकी के विचित्र नियमों को सत्यापित करते हैं। जबकि कंप्यूटर यादृच्छिकता की नकल कर सकते हैं, वे अंततः पूर्वानुमेय (predictable) मशीनें होते हैं। वास्तविक, अटूट यादृच्छिकता प्राप्त करने के लिए, वैज्ञानिकों को भौतिक दुनिया की ओर मुड़ना होगा, अराजकता के ऐसे स्रोत को खोजना होगा जिसे कोई भी एल्गोरिदम कभी देख न सके।

कर्नाटक केंद्रीय विश्वविद्यालय के एक शोधकर्ता ने अब यह प्रदर्शित किया है कि इन कॉस्मिक म्यूऑन के आगमन की दिशा ठीक ऐसा ही एक स्रोत प्रदान करती है। एक विशाल न्यूट्रिनो वेधशाला (observatory) को डिजाइन करने में मदद करने के लिए बनाए गए डिटेक्टर का उपयोग करते हुए, उन्होंने छह महीनों में लाखों म्यूऑन के पथों को ट्रैक किया। वह डिटेक्टर, गैस से भरी बड़ी प्लेटों का एक ढेर था, जिसने उस सटीक कोण को रिकॉर्ड किया जिस पर प्रत्येक कण वहां से गुजरा। शोधकर्ता ने पाया कि ये कोण न केवल यादृच्छिक हैं; वे एंट्रॉपी (entropy), या विकार (disorder) का एक समृद्ध, अनछुआ स्रोत हैं, जिसे डिजिटल बिट्स में परिवर्तित किया जा सकता है। डेटा का विश्लेषण करके, उन्होंने दिखाया कि प्रत्येक एकल म्यूऑन ट्रैक उच्च-गुणवत्ता वाली यादृच्छिक जानकारी के चार बिट्स तक उत्पन्न कर सकता है। यह एक महत्वपूर्ण खोज है क्योंकि यह सिद्ध करता है कि कण किस दिशा से आता है, वह सूचना उत्पन्न करने के लिए उतना ही उपयोगी है जितना कि वह समय जब वह आता है, जो कि एक ऐसी विधि थी जिसका उपयोग पहले भी किया जा चुका है।

यह प्रयोग मुंबई, भारत में स्थित एक विशिष्ट सेटअप पर आधारित था। उपकरण रेजिस्टिव प्लेट चैंबर्स (resistive plate chambers) की बारह परतों वाला एक टॉवर था, जिनमें से प्रत्येक एक वर्ग मीटर आकार का था। ये चैंबर अनिवार्य रूप रूप से विशेष गैस से भरे सैंडविच जैसे डिटेक्टर हैं। जब एक म्यूऑन गैस के माध्यम से तेजी से गुजरता है, तो वह प्लेटों की अस्तर बनाने वाली तांबे की पट्टियों पर विद्युत संकेतों का एक निशान छोड़ देता है। प्रत्येक परत में कौन सी पट्टियाँ सक्रिय हुईं, इसे देखकर, शोधकर्ता म्यूऑन के सटीक प्रक्षेपवक्र (trajectory) का पुनर्निर्माण कर सका, जिससे उसका जेनिथ एंगल (zenith angle) निकाला जा सका, जो बताता है कि वह कितनी ढलान से नीचे आया, और उसका अज़ीमुथ एंगल (azimuth angle) निकाला जा सका, जो बताता है कि वह किस दिशा से आया। लगभग 55 दिनों की अवधि में, सिस्टम ने लगभग 13.8 मिलियन घटनाओं को रिकॉर्ड किया। हालाँकि, इनमें से सभी उपयोगी नहीं थे। डिटेक्टर एक प्रोटोटाइप था, और इसके कुछ हिस्से शोर वाले या खराब थे। शोधकर्ता को डेटा को सावधानीपूर्वक फ़िल्टर करना पड़ा, जिसमें उन घटनाओं को हटाया गया जो इलेक्ट्रॉनिक गड़बड़ी जैसी दिख रही थीं या जो बहुत अधिक बिखर (scatter) गई थीं, जिससे उनके पास विश्लेषण के लिए लगभग 5.6 मिलियन म्यूऑन ट्रैक्स का एक स्वच्छ सेट बचा।

एक बार जब डेटा साफ हो गया, तो शोधकर्ता के सामने इन कोणों को संख्याओं में बदलने की चुनौती थी। उन्होंने संभावित कोणों को छोटे बिन (bins), या बाकेट्स में विभाजित किया, और यह निर्धारित किया कि म्यूऑन किस बाकेट में गिरा है, उसके आधार पर शून्य या एक असाइन किया। शुरुआत में, उन्हें परिणामों में एक मामूली असंतुलन मिला; वितरण पूरी तरह से समान नहीं था, जो संभवतः डिटेक्टर के ऊपर की इमारत की संरचना या उपकरणों की मामूली खामियों के कारण था। इसे ठीक करने के लिए, उन्होंने एक गणितीय कंडीशनिंग प्रक्रिया लागू की, जो अनिवार्य रूप से बिट्स को आपस में मिलाकर पूर्वाग्रह (bias) को मिटाने जैसा था। इस चरण ने डेटा की मात्रा को थोड़ा कम कर दिया लेकिन यह सुनिश्चित किया कि अंतिम आउटपुट वास्तव में यादृच्छिक था। परिणाम बिट्स की एक ऐसी धारा थी जो नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड्स एंड टेक्नोलॉजी (NIST) द्वारा डिज़ाइन किए गए कठोर सांख्यिकीय परीक्षणों में उत्तीर्ण हुई, जो यादृच्छिकता के लिए स्वर्ण मानक है।

अध्ययन से पता चला कि यह विधि अत्यधिक कुशल है। प्रत्येक म्यूऑन ट्रैक ने लगभग एक बिट प्रति बिट की एंट्रॉपी वैल्यू दी, जिसका अर्थ है कि जानकारी लगभग पूरी तरह से अप्रत्याशित थी। वर्तमान डिटेक्टर के आकार के साथ, सिस्टम लगभग 650 बिट्स प्रति सेकंड की दर से यादृच्छिक संख्याएं उत्पन्न करता है। शोधकर्ता ने उल्लेख किया कि यह दर सीमा नहीं है; यदि वे एक बड़ा डिटेक्टर बनाते हैं, शायद दो मीटर गुणा दो मीटर, तो दर बढ़कर लगभग 2,500 बिट्स प्रति सेकंड हो सकती है। उन्होंने अधिक जटिल बिनिंग रणनीतियों का उपयोग करके प्रत्येक कण से अधिक डेटा निकालने के तरीकों का भी पता लगाया, लेकिन पाया कि बहुत अधिक दबाव डालने से त्रुटियां आ जाती हैं जो डेटा को यादृच्छिकता परीक्षणों में विफल कर देती हैं। उन्होंने पाया कि 'स्वीट स्पॉट' (सबसे उपयुक्त बिंदु) वह तरीका था जो गुणवत्ता से समझौता किए बिना प्रति म्यूऑन ट्रैक चार बिट्स उत्पन्न करता था।

क्रिप्टोग्राफी से परे, यह कार्य मौलिक भौतिकी प्रयोगों के लिए एक द्वार खोलता है। क्वांटम यांत्रिकी के परीक्षणों में सबसे बड़ी चुनौतियों में से एक "फ्रीडम-ऑफ-चॉइस" (freedom-of-choice) लूपहोल है, एक ऐसी स्थिति जहाँ प्रयोग के सेटिंग्स गुप्त रूप से उन कणों से प्रभावित हो सकती हैं जिन्हें मापा जा रहा है। इस लूपहोल को बंद करने के लिए, वैज्ञानिकों को अपने माप सेटिंग्स को यादृच्छिकता के एक ऐसे स्रोत का उपयोग करके चुनना होगा जो प्रयोग से पूरी तरह स्वतंत्र हो। जबकि कुछ प्रस्ताव इस उद्देश्य के लिए दूरस्थ क्वासरों (quasars) से आने वाले प्रकाश का उपयोग करने का सुझाव देते हैं, नया अध्ययन बताता है कि कॉस्मिक म्यूऑन भी वही भूमिका निभा सकते हैं। शोधकर्ता ने गणना की कि यदि दो डिटेक्टरों को दूर रखा जाए, तो छोटे उपकरणों के साथ, दोनों के एक ही समय में किसी म्यूऑन को पकड़ने की संभावना बहुत कम होगी। हालाँकि, यदि डिटेक्टरों को बहुत बड़ा बनाया जाए, जैसे कि पांच मीटर गुणा पांच मीटर, तो एक साथ पहचान की संभावना बढ़कर लगभग आधा हो जाएगी, जिससे यह सेटअप इन गहन परीक्षणों के लिए एक व्यवहार्य उपकरण बन जाएगा।

निष्कर्ष इस बात का प्रमाण हैं कि आकाश स्वयं पूर्ण यादृच्छिकता का जनरेटर हो सकता है। यह कार्य यह दावा नहीं करता है कि इसने यादृच्छिक संख्या निर्माण की सभी समस्याओं को हल कर लिया है, न ही यह सुझाव देता है कि यह विशिष्ट डिटेक्टर व्यावसायिक उपयोग के लिए तैयार है। इसके बजाय, यह एक स्पष्ट मार्ग प्रदर्शित करता है। यह दिखाकर कि एक कॉस्मिक कण की दिशा एंट्रॉपी का एक विश्वसनीय स्रोत है, शोधकर्ता ने भौतिक विज्ञानी के टूलकिट में एक नया उपकरण जोड़ दिया है। यह एक अनुस्मारक है कि हमारे दैनिक जीवन के सबसे साधारण पहलुओं में भी, जैसे कि आकाश से गिरते कणों की वर्षा, एक गहरा, अराजक क्रम निहित है जिसे हमारे डिजिटल भविष्य को सुरक्षित करने और ब्रह्मांड के गहरे रहस्यों की जांच करने के लिए उपयोग किया जा सकता है।