क्वांटम प्रौद्योगिकियां, जिनमें उन्नत सेंसर और भविष्य के क्वांटम कंप्यूटर शामिल हैं, एंटैंगलमेंट पर निर्भर करती हैं - वह डरावना संबंध जहां कण एक-दूसरे को ऐसे तरीकों से प्रभावित करते हैं जो किसी भी शास्त्रीय भौतिक विज्ञानी को सिरदर्द दे दें। ये फैंसी एंटैंगल्ड अवस्थाएं बनाने के लिए पारंपरिक रूप से परिष्कृत उपकरणों और सावधानीपूर्वक डिज़ाइन किए गए प्रायोगिक सिस्टम की आवश्यकता होती है, क्योंकि भौतिकी में कुछ भी सार्थक आसानी से नहीं मिलता।
शिकागो विश्वविद्यालय के प्रित्जकर स्कूल ऑफ मॉलिक्यूलर इंजीनियरिंग (UChicago PME) के शोधकर्ताओं ने अब एक बहुत ही सरल दृष्टिकोण प्रस्तावित किया है। उनकी नई सैद्धांतिक विधि उन उपकरणों का उपयोग करके एंटैंगल्ड क्वांटम अवस्थाओं की एक विस्तृत श्रृंखला उत्पन्न और नियंत्रित कर सकती है जो पहले से ही कई क्वांटम भौतिकी प्रयोगशालाओं में आम हैं। यह कार्य, फिजिकल रिव्यू एक्स में प्रकाशित, अति-सटीक क्वांटम संवेदन को आगे बढ़ाने और मौलिक भौतिकी की खोज के लिए नए अवसर खोलने में मदद कर सकता है।
"हम सरल सामग्री लेना चाहते थे जो आपको कई भौतिक प्लेटफार्मों में मिलती है और उन्हें न्यूनतम तरीके से एक साथ रखकर कुछ दिलचस्प, जटिल और शक्तिशाली प्राप्त करना चाहते थे," UChicago PME में आणविक इंजीनियरिंग के प्रोफेसर और नए अध्ययन के वरिष्ठ लेखक आशीष क्लर्क ने कहा। शोध को Q-NEXT द्वारा समर्थित किया गया था, जो अमेरिकी ऊर्जा विभाग (DOE) का एक राष्ट्रीय क्वांटम सूचना विज्ञान अनुसंधान केंद्र है, जिसका नेतृत्व DOE की आर्गन नेशनल लेबोरेटरी करती है।
टीम का दृष्टिकोण कैविटी क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स (कैविटी QED) पर आधारित है, जहां परमाणुओं को एक ऑप्टिकल कैविटी के अंदर रखा जाता है - दो दर्पण जो उनके बीच प्रकाश को फंसाते हैं। कण फिर सीमित प्रकाश के साथ संपर्क करते हैं। समस्या? कई कैविटी QED सिस्टम में, सभी परमाणु प्रकाश के साथ बिल्कुल उसी तरह से संपर्क करते हैं, जिससे वे प्रभावी रूप से अप्रभेद्य हो जाते हैं और उत्पादित किए जा सकने वाले क्वांटम अवस्थाओं की सीमा को प्रतिबंधित करते हैं।
"चुनौती हमेशा यह रही है कि इन सिस्टमों में बहुत अधिक समरूपता होती है," क्लर्क ने कहा। "सभी परमाणु प्रकाश से उसी तरह बात कर रहे हैं। यह वास्तव में सीमित करता है कि आपको किस प्रकार की एंटैंगल्ड अवस्थाएं मिलती हैं।"
शोधकर्ताओं ने एक सीधा समाधान पाया: जबकि सभी परमाणु एक ही लेजर द्वारा संचालित होते रहते हैं, अतिरिक्त लेजर या चुंबकीय क्षेत्र विभिन्न परमाणु समूहों की उत्तेजित अवस्था ऊर्जाओं को स्थानांतरित करते हैं। प्रत्येक परमाणु को दूसरे के साथ जोड़ा जाता है जिसमें समान लेकिन विपरीत ऊर्जा ऑफसेट होता है। यह सरल संशोधन समरूपता को तोड़ता है जबकि सिस्टम को नियंत्रणीय और पूर्वानुमानित रखता है। यह समायोजित करके कि किन परमाणुओं को विशेष ऊर्जा शिफ्ट प्राप्त होती है, वैज्ञानिक हार्डवेयर को बदले बिना विभिन्न प्रकार की एंटैंगल्ड अवस्थाएं उत्पन्न करने के लिए सिस्टम को ट्यून कर सकते हैं।
"आप इन लेज़रों को चालू करते हैं और प्रतीक्षा करते हैं, और किसी बिंदु पर सिस्टम एक दिलचस्प, अत्यधिक एंटैंगल्ड क्वांटम अवस्था में स्थिर हो जाता है," क्लर्क समूह में पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता और नए कार्य के पहले लेखक अंजुन चू ने कहा। "बस लेज़रों को समायोजित करके, हम उस प्रकार की एंटैंगल्ड अवस्थाओं तक पहुंच सकते हैं जिनके बारे में पहले किसी ने नहीं सोचा था।"
एक आशाजनक अनुप्रयोग क्वांटम संवेदन है। एंटैंगल्ड क्वांटम अवस्थाएं अलग-अलग स्थानों के बीच चुंबकीय या गुरुत्वाकर्षण क्षेत्रों में छोटे अंतर का पता लगा सकती हैं। हालांकि, ऐसी अवस्थाएं विकसित करना जो अत्यधिक संवेदनशील और शोर के प्रति प्रतिरोधी दोनों हों, एक बड़ी चुनौती रही है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि दो परमाणु समूहों वाले उनके सिस्टम का एक संस्करण क्षेत्र प्रवणता को माप सकता है - जब दो परमाणु समूहों को अलग-अलग स्थानों पर रखा जाता है, तो परिणामी क्वांटम अवस्था स्थानीय चुंबकीय या गुरुत्वाकर्षण क्षेत्रों के बीच अंतर को दर्शाती है जबकि पृष्ठभूमि शोर को अस्वीकार करती है जो दोनों स्थानों को समान रूप से प्रभावित करता है।
"आप दो चीजें करने में सक्षम हैं जो सामान्य रूप से एक-दूसरे के साथ संगत नहीं हैं: एक अत्यंत संवेदनशील सेंसर बनाने के लिए एंटैंगलमेंट का उपयोग करें, लेकिन मनमाने ढंग से बड़ी मात्रा में शोर के प्रति मजबूती भी रखें," क्लर्क ने कहा। "आम तौर पर, एंटैंगलमेंट बहुत नाजुक होता है। इस दृष्टिकोण में अद्भुत लचीलापन है।"
एक और लाभ: इन क्वांटम अवस्थाओं में संग्रहीत जानकारी को मानक रैमसे माप तकनीकों का उपयोग करके निकाला जा सकता है, जिससे विशेष विधियों की आवश्यकता समाप्त हो जाती है। शोधकर्ताओं ने यह भी दिखाया कि एक ही प्लेटफॉर्म का उपयोग AKLT अवस्था जैसी प्रसिद्ध एंटैंगल्ड अवस्थाओं को उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है, जो क्वांटम सूचना विज्ञान में एक महत्वपूर्ण संसाधन है।