एकल फोटॉन से फेनमैन के पाथ इंटीग्रल की सीधी प्रयोगात्मक जांच

दक्षिण चीन नॉर्मल यूनिवर्सिटी में शी-लियांग झू के नेतृत्व वाली टीम ने एकल फोटॉन का इस्तेमाल कर रिचर्ड फेनमैन के पाथ-इंटीग्रल ढांचे का प्रत्यक्ष प्रयोगात्मक पुनर्निर्माण किया। शोधकर्ताओं ने एक ऑप्टिकल नेटवर्क में फोटॉन की क्वांटम अवस्था के बदलावों को मापा, पांच क्रमिक प्रोपेगेटरों को जोड़ा और उनसे 14,19,857 संभावित पथों के योगदान की गणना की। यह गणना आउटपुट पर देखे गए फोटॉन व्यवहार से मेल खाती थी 1128।

हालांकि, उपलब्ध सामग्री में इस मेल का कोई संख्यात्मक प्रतिशत, अनिश्चितता-सीमा या प्रयोग में शोर को नियंत्रित करने की विस्तृत प्रक्रिया नहीं दी गई है। इसलिए इसे पाथ इंटीग्रल की सीधी प्रयोगात्मक जांच या पुनर्निर्माण कहना उचित है, लेकिन इसकी सटीकता को किसी संख्या में व्यक्त करना उपलब्ध प्रमाणों के आधार पर संभव नहीं है।

फेनमैन का पाथ इंटीग्रल क्या बताता है?

शास्त्रीय भौतिकी में किसी वस्तु की शुरुआती और अंतिम अवस्था के बीच आम तौर पर एक निश्चित प्रक्षेप-पथ माना जाता है। इसके विपरीत, फेनमैन के 1948 के सिद्धांत में क्वांटम संक्रमण को उन सभी संभावित पथों से जुड़े जटिल प्रायिकता-आयामों के योग के रूप में समझा जाता है 156।

इन आयामों में क्वांटम इंटरफेरेंस हो सकता है: कुछ योगदान एक-दूसरे को मजबूत करते हैं, जबकि कुछ रद्द कर देते हैं। अंतिम प्रायिकता किसी एक रास्ते को चुनकर नहीं, बल्कि सभी योगदानों से बने संयुक्त आयाम से निकाली जाती है 48।

प्रोपेगेटर वह गणितीय मात्रा है जो बताती है कि किसी क्वांटम अवस्था में एक बिंदु या चरण से अगले चरण तक कैसे बदलाव आता है। पाथ-इंटीग्रल निर्माण में लगातार खंडों के प्रोपेगेटरों को मिलाकर पूरे संक्रमण का आयाम प्राप्त किया जाता है 2।

फोटॉन प्रयोग में पथों का पुनर्निर्माण कैसे हुआ?

रिपोर्ट किए गए सेटअप में एकल फोटॉन को दर्पणों, लेंसों और क्रिस्टलों से बने ऑप्टिकल नेटवर्क से गुजारा गया। शोधकर्ताओं ने फोटॉन को लगातार देखते हुए उसका रास्ता दर्ज करने की कोशिश नहीं की। इसके बजाय, उन्होंने नेटवर्क के अलग-अलग हिस्सों को फोटॉन की क्वांटम अवस्था पर असर डालने वाले क्रमिक रूपांतरणों के रूप में देखा।

टीम ने पांच क्रमिक प्रोपेगेटरों को मापा और पाथ इंटीग्रल के गणित के अनुसार उन्हें गुणा किया। इससे संभावित मार्गों के बहुत बड़े समूह के योगदान का पुनर्निर्माण हुआ—जिसकी संख्या 14,19,857 बताई गई है 11। इसके बाद इस पथ-योग से निकली भविष्यवाणी की तुलना उपकरण के आउटपुट पर किए गए माप से की गई और दोनों में मेल पाया गया 28।

यहां एक अहम अंतर समझना जरूरी है: शोधकर्ताओं ने मापे जा सकने वाले संक्रमणों से संभावित पथों के गणितीय योगदानों का पुनर्निर्माण किया। उन्होंने किसी एक फोटॉन के हर रास्ते की तस्वीर नहीं खींची और न ही उसके मार्ग को अलग से चिह्नित किया।

किसी एक फोटॉन का रास्ता देखना इस प्रयोग का उद्देश्य क्यों नहीं था?

क्वांटम यांत्रिकी में यह मापना कि कण ने कौन-सा रास्ता अपनाया, वैकल्पिक रास्तों से बनने वाले इंटरफेरेंस पैटर्न को बदल सकता है। इसलिए पाथ इंटीग्रल का अर्थ यह नहीं है कि गणना के पीछे छिपा कोई सामान्य, निश्चित रास्ता प्रयोगकर्ता सीधे देख सकता है। यह अलग-अलग संभावनाओं के आयामों को एक साथ जोड़ने का नियम है।

इस प्रयोग का महत्व यह है कि उसने इस नियम के बुनियादी हिस्सों की प्रयोगात्मक जांच की: पहले प्रोपेगेटरों को मापना, फिर उन्हें जोड़ना और देखना कि प्राप्त आयाम वास्तविक आउटपुट की भविष्यवाणी करता है या नहीं। यह सामान्य इंटरफेरेंस पैटर्न देखने से आगे की बात है, क्योंकि इसमें व्यक्तिगत संक्रमण-योगदानों को भी मापा और पुनः संयोजित किया गया।

क्वांटम इलेक्ट्रोडायनेमिक्स और अन्य क्षेत्रों के लिए महत्व

पाथ इंटीग्रल क्वांटम यांत्रिकी को व्यक्त करने का एक वैकल्पिक तरीका है और क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत की गणनाओं के लिए भी महत्वपूर्ण ढांचा उपलब्ध कराता है 16। प्रोपेगेटर और ‘सभी संभावित इतिहासों’ का योग क्वांटम विकास और इंटरफेरेंस को समझाने के केंद्रीय औजारों में शामिल हैं। इनका संबंध क्वांटम इलेक्ट्रोडायनेमिक्स और व्यापक कण-भौतिकी सिद्धांतों से भी है 25।

यही भाषा संघनित पदार्थ भौतिकी और फोटॉनिक्स में भी इस्तेमाल होती है, जहां वैज्ञानिक क्वांटम कणों, पदार्थों, सामूहिक व्यवहार और नियंत्रित ऑप्टिकल प्रणालियों का अध्ययन करते हैं। नियंत्रित एकल-फोटॉन नेटवर्क ऐसा व्यावहारिक मंच देता है, जिसमें सिद्धांत के कुछ हिस्सों को केवल अमूर्त गणित मानने के बजाय मापा और फिर से जोड़ा जा सकता है 416।

फिर भी ‘पहली बार’ वाले दावे पर सावधानी जरूरी है। 2023 में दक्षिण चीन नॉर्मल यूनिवर्सिटी के एक प्रकाशन में एकल-फोटॉन प्रोपेगेटरों को मापने और क्वांटम सिद्धांत के न्यूनतम क्रिया सिद्धांत को प्रदर्शित करने की बात पहले ही कही गई थी 37। वहीं, 26 अगस्त की रिपोर्टों ने नए काम को फेनमैन के पाथ इंटीग्रल का पहली बार प्रत्यक्ष मापन बताया 1028। सबसे सुरक्षित निष्कर्ष यह है कि 2026 की रिपोर्ट पूर्ण पथ-योग दावे के एक नए, सार्वजनिक रूप से चर्चित प्रत्यक्ष पुनर्निर्माण को दर्शाती है—यह नहीं कि इससे पहले इससे संबंधित कोई प्रयोगात्मक कार्य हुआ ही नहीं था।

सटीकता, शोर और संचित त्रुटियों की चुनौती

इस तरह के पुनर्निर्माण में कई मापी गई मात्राओं को एक साथ जोड़ना पड़ता है। किसी एक प्रोपेगेटर में मौजूद छोटी कैलिब्रेशन या सांख्यिकीय त्रुटि लगातार प्रोपेगेटरों के गुणन के दौरान असर डाल सकती है। इसके अलावा, अंतिम परिणाम बहुत बड़ी संख्या में योगदानों के इंटरफेरेंस पर निर्भर करता है।

इसलिए ऑप्टिकल स्थिरता, सटीक कैलिब्रेशन और फोटॉन-काउंटिंग के आंकड़े व्यावहारिक रूप से महत्वपूर्ण हैं। लेकिन उपलब्ध सामग्री में टीम द्वारा अपनाए गए सटीक शोर-नियंत्रण उपाय या प्राप्त त्रुटि-सीमाएं नहीं दी गई हैं। ऐसे में प्रयोग की सटीकता के लिए कोई असमर्थित प्रतिशत या संख्यात्मक विश्वास-स्तर बताना उचित नहीं होगा।

उपलब्ध सामग्री में योर्ग गोटे का कोई सत्यापन योग्य प्रत्यक्ष उद्धरण भी नहीं है। इसलिए उनकी सटीक राय या यह दावा करना संभव नहीं है कि अलग परिणाम आने पर वे ठीक-ठीक क्या निष्कर्ष निकालते। सामान्य रूप से, सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण असहमति पहले प्रयोगात्मक पुनर्निर्माण या उसके नियंत्रणों में समस्या की ओर संकेत करती। इन संभावनाओं को दूर करने के बाद ही वह पाथ-इंटीग्रल विवरण के लिए कहीं अधिक बुनियादी चुनौती मानी जाती।

आगे के प्रयोगों की संभावनाएं

इसी रणनीति को अधिक जटिल ऑप्टिकल नेटवर्क पर लागू किया जा सकता है, जिनमें अलग-अलग पदार्थ या डिजाइन किए गए क्वांटम उपकरण शामिल हों। तब शोधकर्ता माप सकते हैं कि ये नए घटक संबंधित प्रोपेगेटरों को कैसे बदलते हैं और क्या पुनर्निर्मित पथ-योग आगे भी देखी गई क्वांटम गतिशीलता की भविष्यवाणी करता है 245।

यही इस प्रयोग का व्यापक महत्व है। यह क्वांटम संभावनाओं को दिखाई देने वाले शास्त्रीय रास्तों में नहीं बदलता। इसके बजाय, यह एक बुनियादी क्वांटम गणना को प्रयोगात्मक रूप से जांचने योग्य बनाता है: संक्रमणों को मापिए, आयामों का योग कीजिए और फिर भविष्यवाणी की तुलना प्रकृति के आउटपुट से कीजिए।