Protecting entanglement properties of Dirac particles in noisy channels in the background of a Schwarzschild black hole
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि सामान्यीकृत आयाम डैम्पिंग शोर (generalized amplitude damping noise) और श्वार्ज़चाइल्ड ब्लैक होल हॉकिंग रेडिएशन दोनों के अधीन एक त्रिपक्षीय डिरैक कण प्रणाली में कमजोर मापन (weak measurement) और पोस्ट-नॉइज़ फिल्ट्रेशन का उपयोग करके एंटैंगलमेंट क्षरण को प्रभावी ढंग से कम किया जा सकता है, हालांकि यह वृद्धि फिल्ट्रेशन सफलता की संभावना और भारित प्राप्ति (weighted yield) में कमी की कीमत पर आती है, जिसमें C|AB द्वि-विभाजन (bipartition), A|BC द्वि-विभाजन की तुलना में अधिक सापेक्ष सुधार प्रदर्शित करता है।
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क्वांटम भौतिकी के विचित्र क्षेत्र में, कण इस तरह से एक-दूसरे से जुड़ सकते हैं जो हमारे रोजमर्रा के अनुभवों को चुनौती देता है। जब दो या दो से अधिक कण इस जुड़ाव को साझा करते हैं, जिसे एंटैंगलमेंट (entanglement) कहा जाता है, तो एक में होने वाला परिवर्तन दूसरे को तुरंत प्रभावित करता है, चाहे वे एक-दूसरे से कितनी भी दूर क्यों न हों। यह घटना केवल एक सैद्धांतिक जिज्ञासा नहीं है; यह अल्ट्रा-सुरक्षित संचार और शक्तिशाली नए कंप्यूटरों जैसी भविष्य की तकनीकों की रीढ़ है। हालाँकि, यह नाजुक कड़ी अविश्वसनीय रूप से भंगुर है। जिस तरह एक फुसफुसाहट को शोर भरी भीड़ में दबाया जा सकता है, उसी तरह क्वांटम कनेक्शन तब आसानी से टूट सकते हैं जब कण अपने परिवेश के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, इस प्रक्रिया को वैज्ञानिक डिकोहेरेंस (decoherence) कहते हैं। भौतिकविदों के लिए चुनौती इन कड़ियों को बरकरार रखने के तरीके खोजने की है, भले ही वातावरण प्रतिकूल हो या कण अत्यधिक बलों के अधीन हों।
कल्पना की जा सकने वाली सबसे चरम स्थितियों में से एक ब्लैक होल के आसपास का अंतरिक्ष है। ये ऐसे क्षेत्र हैं जहाँ गुरुत्वाकर्षण इतना तीव्र है कि एक निश्चित सीमा को पार करने के बाद प्रकाश भी वहां से बचकर नहीं निकल सकता। सैद्धांतिक कार्य सुझाव देते हैं कि ब्लैक होल पूरी तरह से काले नहीं होते हैं, बल्कि वे विकिरण की एक मंद चमक उत्सर्जित करते हैं, जिसे हॉकिंग रेडिएशन (Hawking radiation) के रूप में जाना जाता है, जो तीव्र गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र से उत्पन्न होता है। यह विकिरण एक शोर भरे थर्मल बाथ (thermal bath) की तरह कार्य करता है जो क्वांटम सूचना को बिखेर सकता है। हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए प्रयास किया कि क्या वे क्वांटम एंटैंगलमेंट को सुरक्षित रख सकते हैं जब कणों के एक जुड़े हुए त्रय (trio) का एक हिस्सा ब्लैक होल के अराजक वातावरण के संपर्क में हो, जबकि अन्य एक अलग प्रकार के शोर का सामना कर रहे हों। उन्होंने तीन कणों वाले एक विशिष्ट सेटअप पर ध्यान केंद्रित किया, जहाँ दो कण मानक प्रकार के पर्यावरणीय शोर के अधीन हैं, और तीसरा एक गैर-घूर्णन (non-rotating) ब्लैक होल के गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में स्थित है।
कुकी इयेन और बाबाटुंडे जेम्स फालाये के नेतृत्व वाली टीम ने इन क्वांटम कड़ियों को बचाने के लिए एक दो-चरणीय रणनीति का अन्वेषण किया। सबसे पहले, उन्होंने शोर वाले वातावरण का सामना करने से पहले दो कणों पर एक कोमल, या "कमजोर" (weak) माप लागू किया। यह एक पूर्ण अवलोकन नहीं है जो क्वांटम अवस्था को ध्वस्त कर दे, बल्कि एक सूक्ष्म जांच है जो जुड़ाव को नष्ट किए बिना बहुत कम जानकारी एकत्र करती है। कणों के शोर वाले चैनलों से गुजरने के बाद, शोधकर्ताओं ने एक फ़िल्टरिंग ऑपरेशन लागू किया। यह चरण एक छलनी की तरह कार्य करता है, जो केवल उन परिणामों को चुनता है जहाँ कण उपयोगी अवस्था में शोर से बच गए। शोर वाले वातावरण से पहले की इस जांच और शोर के बाद की फ़िल्टरिंग को जोड़कर, वे उस एंटैंगलमेंट को पुनः प्राप्त करने की आशा कर रहे थे जो अन्यथा ब्लैक होल के विकिरण और आसपास के थर्मल शोर के कारण खो जाता।
शोधकर्ताओं ने एक गणितीय ढांचे का उपयोग करके प्रणाली का मॉडल तैयार किया जो ब्लैक होल के पास कणों के व्यवहार का वर्णन करता है, विशेष रूप से यह देखते हुए कि ब्लैक होल का तापमान क्वांटम अवस्था को कैसे प्रभावित करता है। उन्होंने पाया कि बिना किसी सुरक्षात्मक उपाय के, ब्लैक होल का तापमान बढ़ने के साथ कणों के बीच एंटैंगलमेंट लगातार घटता गया। यह गिरावट ब्लैक होल के पास वाले कण और अन्य दो के संयुक्त जुड़ाव के लिए विशेष रूप से गंभीर थी। हालाँकि, जब टीम ने अपना कमजोर माप और फ़िल्टरिंग प्रोटोकॉल पेश किया, तो परिणाम बदल गए। सुरक्षात्मक उपायों ने बचे हुए एंटैंगलमेंट की मात्रा को सफलतापूर्वक बढ़ा दिया, जिससे क्वांटम जुड़ाव को शोर के सबसे बुरे प्रभावों से प्रभावी रूप से सुरक्षित किया जा सका।
फिर भी, इस सुरक्षा के साथ एक शर्त जुड़ी हुई थी। अध्ययन ने खुलासा किया कि इस प्रक्रिया में एक अंतर्निहित ट्रेड-ऑफ (trade-off) है। जबकि फ़िल्टरिंग ऑपरेशन ने शेष एंटैंगलमेंट की ताकत को बढ़ाया, इसने इस प्रक्रिया की सफलता की संभावना को भी कम कर दिया। दूसरे शब्दों में, शोधकर्ता क्वांटम लिंक का अधिक हिस्सा बचा तो सकते थे, लेकिन उन्हें प्रयास के दौरान अधिक कणों को खोने को स्वीकार करना होगा। सुरक्षा की सफलता कमजोर माप और फ़िल्टर के विशिष्ट सेटिंग्स पर बहुत अधिक निर्भर थी। शोधकर्ताओं ने पाया कि सर्वोत्तम परिणाम प्राप्त करने के लिए, प्रारंभिक कमजोर माप की शक्ति को अंतिम फ़िल्टर की संगत शक्ति के साथ मिलाना आवश्यक था। यदि एक बहुत मजबूत था और दूसरा नहीं, तो लाभ समाप्त हो जाते।
विश्लेषण ने दिखाया कि ब्लैक होल के पास वाला कण अन्य कणों की तुलना में इस सुरक्षा से अधिक लाभान्वित हुआ। ब्लैक होल से प्रभावित कण वाले एंटैंगलमेंट में शांत वातावरण वाले दो कणों के बीच के जुड़ाव की तुलना में अधिक सापेक्ष सुधार देखा गया। उदाहरण के लिए, सिम्युलेट की गई विशिष्ट स्थितियों के तहत, सही सेटिंग्स के साथ ब्लैक होल-जुड़े जोड़े के लिए एंटैंगलमेंट लगभग दस प्रतिशत बढ़ गया, जबकि दूसरे जोड़े में कम लाभ देखा गया। हालाँकि, यह सुधार मुफ्त नहीं था; एंटैल्ड स्टेट को सफलतापूर्वक प्राप्त करने की संभावना काफी गिर गई। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि जबकि कमजोर माप और फ़िल्टिंग चरम वातावरण में क्वांटम लिंक को संरक्षित करने के लिए शक्तिशाली उपकरण हैं, उनका व्यावहारिक उपयोग इस बात पर निर्भर करता है कि क्या अधिक महत्वपूर्ण है: शेष रहने वाले संबंध की ताकत को अधिकतम करना, या सफल प्रयासों की संख्या को अधिकतम करना। यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि ब्लैक होल के गुरुत्वाकर्षण और गर्मी के विनाशकारी बलों के खिलाफ लड़ना संभव है, लेकिन इस जीत के लिए सावधानीपूर्वक संतुलन और नुकसान को स्वीकार करना आवश्यक है।
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