स्टैनफोर्ड ने एक-एक फोनॉन का क्वांटम जंप रियल टाइम में देखा

क्वांटम जंप किसी क्वांटम प्रणाली का एक अनुमत ऊर्जा-अवस्था से दूसरी में अचानक बदलना है। स्टैनफोर्ड के भौतिकविदों ने अब इस व्यवहार को एक यांत्रिक कंपन में सीधे देखा है: एक छोटे अनुनादक में मौजूद एक फोनॉन—ध्वनि की क्वांटम इकाई—एक ऊर्जा-क्वांटम वाली अवस्था से शून्य पर पहुंच गया। ऊर्जा किसी सामान्य कंपन की तरह धीरे-धीरे कम होती नहीं दिखी। स्टैनफोर्ड के अनुसार, यह व्यक्तिगत फोनॉनों के ऐसे जंप का पहला रियल-टाइम अवलोकन है।33

आखिर देखा क्या गया?

मुख्य निष्कर्ष यह है कि इंजीनियर किया गया एक यांत्रिक उपकरण भी स्पष्ट, गिने जा सकने वाले क्वांटम व्यवहार दिखा सकता है। फोनॉन कंपन-ऊर्जा का क्वांटम है—ठीक जैसे प्रकाश का क्वांटम फोटॉन होता है। फोनॉन की अवधारणा 20वीं सदी की शुरुआत में प्रस्तावित हुई थी और स्टैनफोर्ड पहले भी ऐसे उपकरण दिखा चुका है जो ध्वनि के अलग-अलग क्वांटा को माप सकते हैं।21

इस नए काम की खासियत एक फोनॉन के अनुनादक से निकल जाने का रियल-टाइम रिकॉर्ड है। पहले के प्रयोगों से यांत्रिक ऊर्जा के क्वांटीकृत होने के संकेत मिले थे, लेकिन इस प्रयोग में शोधकर्ता एक ही अनुनादक को इतना लंबे समय तक बार-बार देख पाए कि एक फोनॉन से शून्य फोनॉन की अलग, स्पष्ट छलांग को उसी समय पहचान सकें।33

चिप पर बना ‘क्वांटम माइक्रोफोन’ कैसे काम करता है?

उपकरण लिथियम नायोबेट से बना, चिप-आकार का यांत्रिक अनुनादक था। इसे एक अतिचालक क्यूबिट से करीब 75 नैनोमीटर की दूरी पर रखा गया था। इसे एक बेहद छोटी ट्यूनिंग फोर्क जैसा समझा जा सकता है: यह कंपन-ऊर्जा को संभाल सकता है, लेकिन इस क्वांटम अवस्था में ऊर्जा केवल फोनॉन-संख्या की अलग-अलग अवस्थाओं में ही मौजूद रहती है।

क्यूबिट और अनुनादक की नजदीकी कपलिंग के कारण क्यूबिट की प्रतिक्रिया इस बात पर निर्भर हो गई कि अनुनादक में फोनॉन है या नहीं। टीम ने फोनॉन को सोखकर सीधे पढ़ने के बजाय क्यूबिट को बार-बार मापा। इस अप्रत्यक्ष तरीके से वे फोनॉन की अवस्था जान सके और बची हुई यांत्रिक क्वांटम अवस्था की निगरानी भी जारी रख सके।33

यह अंतर अहम है, क्योंकि सामान्य मापन नाजुक क्वांटम अवस्था को बाधित या नष्ट कर सकता है। इस प्रयोग को इस तरह बनाया गया था कि एक फोनॉन के जीवनकाल में सैकड़ों रीडआउट लिए जा सकें। इससे बहुत क्षणिक घटना को भी लगातार ट्रैक किया जा सका।33

2.1 मिलीसेकंड का जीवनकाल क्यों पर्याप्त था?

एक फोनॉन का कंपन लगभग 2.1 मिलीसेकंड तक रहा। सुनने में यह समय बहुत कम लग सकता है, लेकिन इतने छोटे यांत्रिक तंत्र के लिए यह असाधारण रूप से लंबा रिंगडाउन समय था—फोनॉन के गायब होने से पहले सैकड़ों बार जांच के लिए पर्याप्त। स्टैनफोर्ड ने इसकी तुलना ऐसी साधारण, बड़ी ट्यूनिंग फोर्क से की है जो कई घंटों तक बजती रहे।33

इसी लंबे जीवनकाल ने टीम को यह पहचानने का अवसर दिया कि बदलाव अचानक क्वांटम संक्रमण था, न कि कई प्रयोगों के औसत में दिखने वाली ऊर्जा-हानि। यानी शोधकर्ताओं ने केवल यह नहीं देखा कि समय के साथ ऊर्जा कम हुई; उन्होंने एक व्यक्तिगत घटना में अनुनादक को एक-फोनॉन अवस्था से शून्य-फोनॉन अवस्था में बदलते दर्ज किया।33

क्वांटम-जंप शोध की लंबी कहानी में इसका स्थान

क्वांटम सिद्धांत लंबे समय से कहता है कि ऊर्जा का आदान-प्रदान अलग-अलग, असतत इकाइयों में होता है। वैज्ञानिक पहले फंसे हुए आयनों और प्रकाश-आधारित प्रणालियों समेत दूसरे तंत्रों में क्वांटम जंप देख चुके हैं। लेकिन यांत्रिक गति में यह काम खासा कठिन था: फोनॉन कई परमाणुओं की सामूहिक कंपन-गति है और उसे मापने की कोशिश में गर्मी या डैम्पिंग पैदा हो सकती है।33

स्टैनफोर्ड का परिणाम ध्वनि को एक यांत्रिक अनुनादक में प्रत्यक्ष क्वांटम-जंप अवलोकन के दायरे में लाता है। यह क्वांटम ध्वनिकी के पहले के उन कार्यों पर भी आगे बढ़ता है जिनमें अतिचालक परिपथों और नैनोयांत्रिक उपकरणों से अलग-अलग फोनॉन बनाए, नियंत्रित किए और गिने गए थे।2021

क्वांटम इंजीनियरों के लिए इसका मतलब क्या है?

इस उपलब्धि का तात्कालिक महत्व किसी तैयार उत्पाद में नहीं, बल्कि मापन की क्षमता में है। यदि कोई क्वांटम उपकरण फोनॉन-संख्या को बार-बार मापते हुए अवस्था को तुरंत मिटाए बिना देख सकता है, तो भविष्य में वह यह पहचान सकता है कि संग्रहित यांत्रिक क्वांटम कब खो गया।

इसके दो व्यापक संभावित उपयोग हैं:

• क्वांटम त्रुटि-पहचान: फोनॉन के खोने को रियल टाइम में चिह्नित करने वाला तंत्र त्रुटि-सुधार योजनाओं के लिए जरूरी जानकारी दे सकता है। हालांकि इसके लिए इसे बड़ी, दोष-सहिष्णु क्वांटम संरचना में जोड़ना होगा।
• क्वांटम ध्वनिकी हार्डवेयर: छोटे यांत्रिक अनुनादक क्वांटम सेंसिंग, सूचना-संग्रहण या प्रोसेसिंग के घटक बन सकते हैं। इनका छोटा आकार और लंबा कंपन-जीवन आकर्षक है, पर व्यावहारिक उपकरणों के लिए नियंत्रण, कपलिंग और त्रुटि-प्रबंधन में अभी और प्रगति चाहिए।33

कैलटेक और स्टैनफोर्ड के संबंधित काम में नैनोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम भी विकसित किए गए हैं, जिनमें पदार्थ और उपकरण की आंतरिक संरचना के कारण ही फोनॉन क्वांटम व्यवहार दिखा सकते हैं। ऐसे उपकरण भविष्य में अधिक कॉम्पैक्ट क्वांटम सेंसर या क्यूबिट बना सकते हैं, बिना बाहरी अतिचालक क्यूबिट के।2 लेकिन यह दिशा इस एक-फोनॉन जंप प्रयोग से अलग और पूरक है; इसे इसी प्रयोग में पहले से प्रदर्शित क्षमता नहीं माना जाना चाहिए।

निष्कर्ष

इस प्रयोग ने ध्वनि को ‘और अधिक क्वांटम’ नहीं बनाया। इसकी उपलब्धि यह थी कि यांत्रिक ध्वनि के एक अकेले क्वांटम को समय के साथ देखा जा सका। लंबे समय तक कंपन करने वाले लिथियम नायोबेट अनुनादक को अतिचालक क्यूबिट से जोड़कर और क्यूबिट का बार-बार रीडआउट लेकर, टीम ने एक फोनॉन को रियल टाइम में असतत ऊर्जा संक्रमण करते देखा।33

क्वांटम ध्वनिकी के लिए यह बुनियादी नतीजा है: यह दर्शाता है कि नाजुक यांत्रिक क्वांटम अवस्थाओं की निगरानी इतनी करीब से की जा सकती है कि उन्हें समझा जा सके—और संभवतः एक दिन क्वांटम मशीनों को सीमित करने वाली त्रुटियों का प्रबंधन भी किया जा सके।