"डरावना" क्वांटम यांत्रिकी के लिए पाँच व्यावहारिक उपयोग

क्वांटम यांत्रिकी अजीब है। सिद्धांत, जो छोटे कणों और बलों के कामकाज का वर्णन करता है, कुख्यात अल्बर्ट आइंस्टीन को इतना असहज बना दिया कि 1935 में उन्होंने और उनके सहयोगियों ने दावा किया कि यह अधूरा होना चाहिए - यह वास्तविक होने के लिए "डरावना" भी था।

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मुसीबत यह है कि क्वांटम भौतिकी कार्य-कारण, स्थानीयता और यथार्थवाद की सामान्य ज्ञान की धारणाओं को धता बताती है। उदाहरण के लिए, आप जानते हैं कि चंद्रमा तब भी मौजूद है जब आप इसे नहीं देख रहे हैं - यह यथार्थवाद है। Causality हमें बताती है कि यदि आप एक लाइट स्विच को फ्लिक करते हैं, तो बल्ब रोशन होगा। और प्रकाश की गति पर एक कठिन सीमा के लिए धन्यवाद, यदि आप अभी एक स्विच झटका करते हैं, तो संबंधित प्रभाव स्थानीयता के अनुसार तुरंत एक लाख प्रकाश वर्ष दूर नहीं हो सकता है। हालांकि, ये सिद्धांत क्वांटम दायरे में टूट जाते हैं। शायद सबसे प्रसिद्ध उदाहरण क्वांटम उलझाव है, जो कहता है कि ब्रह्मांड के विपरीत किनारों पर कणों को आंतरिक रूप से जोड़ा जा सकता है ताकि वे तुरंत जानकारी साझा करें - एक विचार जिसने आइंस्टीन को उपहास बनाया।

लेकिन 1964 में, भौतिक विज्ञानी जॉन स्टीवर्ट बेल ने साबित किया कि क्वांटम भौतिकी वास्तव में एक पूर्ण और व्यावहारिक सिद्धांत था। उनके परिणाम, जिसे अब बेल का प्रमेय कहा जाता है, ने प्रभावी रूप से साबित कर दिया कि क्वांटम गुणों जैसे कि उलझाव चंद्रमा के समान वास्तविक हैं, और आज क्वांटम प्रणालियों के विचित्र व्यवहारों को विभिन्न वास्तविक दुनिया अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए दोहन किया जा रहा है। यहाँ पाँच सबसे पेचीदा हैं:

जनवरी में NIST और JILA द्वारा अनावरण की गई एक स्ट्रोंटियम घड़ी, अगले 5 बिलियन वर्षों के लिए सटीक समय रखेगी। (ये ग्रुप और ब्रैड बैक्सले, JILA)

अल्ट्रा-सटीक घड़ियों

विश्वसनीय टाइमकीपिंग केवल आपके सुबह के अलार्म से अधिक है। घड़ियाँ स्टॉक मार्केट और जीपीएस सिस्टम जैसी चीज़ों को लाइन में रखते हुए, हमारी तकनीकी दुनिया को सिंक्रनाइज़ करती हैं। मानक घड़ियाँ अपने 'टिक्स' और 'टॉक्स' का निर्माण करने के लिए पेंडुलम या क्वार्ट्ज क्रिस्टल जैसी भौतिक वस्तुओं के नियमित दोलनों का उपयोग करती हैं। आज, दुनिया की सबसे सटीक घड़ियों, परमाणु घड़ियों, समय को मापने के लिए क्वांटम सिद्धांत के सिद्धांतों का उपयोग करने में सक्षम हैं। वे इलेक्ट्रॉनों को ऊर्जा स्तरों के बीच कूदने के लिए आवश्यक विशिष्ट विकिरण आवृत्ति की निगरानी करते हैं। कोलोराडो में अमेरिका के नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड एंड टेक्नोलॉजी (NIST) में क्वांटम-लॉजिक क्लॉक केवल 3.7 बिलियन वर्षों में दूसरा स्थान खो देता है। और इस साल की शुरुआत में अनावरण की गई NIST स्ट्रोंटियम घड़ी, 5 बिलियन वर्षों के लिए सटीक होगी- जो पृथ्वी की वर्तमान आयु से अधिक लंबी है। ऐसी सुपर-सेंसिटिव एटॉमिक क्लॉक जीपीएस नेविगेशन, टेलीकम्युनिकेशन और सर्वे की मदद करती हैं।

परमाणु घड़ियों की सटीकता आंशिक रूप से प्रयुक्त परमाणुओं की संख्या पर निर्भर करती है। एक निर्वात कक्ष में रखा जाता है, प्रत्येक परमाणु स्वतंत्र रूप से समय को मापता है और अपने और अपने पड़ोसियों के बीच के यादृच्छिक स्थानीय अंतरों पर नज़र रखता है। यदि वैज्ञानिक परमाणु घड़ी में 100 गुना अधिक परमाणुओं को रगड़ते हैं, तो यह 10 गुना अधिक सटीक हो जाता है-लेकिन इस बात की एक सीमा है कि आप कितने परमाणुओं को निचोड़ सकते हैं। शोधकर्ता का अगला बड़ा लक्ष्य सटीक रूप से सटीकता बढ़ाने के लिए उलझाव का उपयोग करना है। उलझे हुए परमाणु स्थानीय मतभेदों के शिकार नहीं होंगे और इसके बजाय केवल समय के बीतने को मापेंगे, प्रभावी रूप से उन्हें एक साथ एक पेंडुलम के रूप में लाएंगे। इसका मतलब है कि उलझी हुई घड़ी में 100 गुना अधिक परमाणु जोड़ने से यह 100 गुना अधिक सटीक हो जाएगा। उलझे हुए घड़ियों को एक विश्वव्यापी नेटवर्क बनाने के लिए भी जोड़ा जा सकता है जो स्थान से स्वतंत्र समय को मापेगा।

पर्यवेक्षकों को क्वांटम पत्राचार में हैकिंग के लिए एक कठिन समय होगा। (वोल्कर STEGER / विज्ञान फोटो लाइब्रेरी / कॉर्बिस)

बिना कोड के

पारंपरिक क्रिप्टोग्राफ़ी कुंजियों का उपयोग करके काम करती है: एक प्रेषक जानकारी को एन्कोड करने के लिए एक कुंजी का उपयोग करता है, और एक प्राप्तकर्ता संदेश को डीकोड करने के लिए दूसरे का उपयोग करता है। हालांकि, एक गरुड़ के जोखिम को दूर करना मुश्किल है, और चाबियों से समझौता किया जा सकता है। यह संभावित अटूट क्वांटम कुंजी वितरण (QKD) का उपयोग करके तय किया जा सकता है। QKD में, कुंजी के बारे में जानकारी फोटॉनों के माध्यम से भेजी जाती है जिन्हें बेतरतीब ढंग से ध्रुवीकृत किया गया है। यह फोटॉन को प्रतिबंधित करता है ताकि यह केवल एक विमान में कंपन करे - उदाहरण के लिए, ऊपर और नीचे, या दाएं से बाएं। प्राप्तकर्ता कुंजी को समझने के लिए ध्रुवीकृत फिल्टर का उपयोग कर सकता है और फिर एक संदेश को सुरक्षित रूप से एन्क्रिप्ट करने के लिए एक चुने हुए एल्गोरिदम का उपयोग कर सकता है। गुप्त डेटा अभी भी सामान्य संचार चैनलों पर भेजा जाता है, लेकिन कोई भी संदेश को डिकोड नहीं कर सकता है जब तक कि उनके पास सटीक क्वांटम कुंजी न हो। यह मुश्किल है, क्योंकि क्वांटम नियम यह निर्धारित करते हैं कि ध्रुवीकृत फोटोन को "पढ़ना" हमेशा उनके राज्यों को बदल देगा, और ईवेर्सड्रॉपिंग के किसी भी प्रयास से संचारकों को सुरक्षा भंग होने का खतरा होगा।

आज बीबीएन टेक्नोलॉजीज, तोशिबा और आईडी क्वांटिक जैसी कंपनियां अल्ट्रा सुरक्षित नेटवर्क डिजाइन करने के लिए क्यूकेडी का उपयोग करती हैं। 2007 में स्विट्जरलैंड ने एक चुनाव के दौरान छेड़छाड़ करने वाले मतदान प्रणाली प्रदान करने के लिए एक आईडी क्वांटिक उत्पाद की कोशिश की। और उलझा हुआ QKD का उपयोग करते हुए पहला बैंक हस्तांतरण 2004 में ऑस्ट्रिया में आगे बढ़ा। यह प्रणाली अत्यधिक सुरक्षित होने का वादा करती है, क्योंकि यदि फोटान उलझे हुए हैं, तो इंटरलोपर्स द्वारा किए गए उनके क्वांटम राज्यों में कोई भी बदलाव, कुंजी-असर की निगरानी करने वाले किसी व्यक्ति के लिए तुरंत स्पष्ट होगा कणों। लेकिन यह प्रणाली अभी भी बड़ी दूरी पर काम नहीं करती है। अब तक, उलझी हुई फोटोन लगभग 88 मील की अधिकतम दूरी पर प्रेषित की गई हैं।

डी-वेव वन कंप्यूटर चिप का क्लोजअप। (डी-वेव सिस्टम, इंक।)

सुपर शक्तिशाली कंप्यूटर

एक मानक कंप्यूटर बाइनरी अंकों, या बिट्स की एक स्ट्रिंग के रूप में जानकारी को एन्कोड करता है। क्वांटम कंप्यूटर सुपरचार्ज प्रोसेसिंग पॉवर है क्योंकि वे क्वांटम बिट्स, या क्वाइब का उपयोग करते हैं, जो राज्यों के एक सुपरपोजिशन में मौजूद हैं - जब तक कि उन्हें मापा नहीं जाता है, तब तक क्वैबिट एक ही समय में "1" और "0" दोनों हो सकते हैं।

यह क्षेत्र अभी भी विकास में है, लेकिन सही दिशा में कदम उठाए गए हैं। 2011 में, डी-वेव सिस्टम ने डी-वेव वन का खुलासा किया था, जो एक 128-qubit प्रोसेसर था, एक साल बाद 512-डी-वेव टू द्वारा। कंपनी का कहना है कि ये दुनिया के पहले व्यावसायिक रूप से उपलब्ध क्वांटम कंप्यूटर हैं। हालांकि, इस दावे को संदेह के साथ मिला है, भाग में क्योंकि यह अभी भी स्पष्ट नहीं है कि क्या डी-वेव की चपेट में फंस गए हैं। मई में जारी किए गए अध्ययनों में उलझने के प्रमाण मिले लेकिन कंप्यूटर की कमियों के एक छोटे उपसमुच्चय में। इस बात पर भी अनिश्चितता है कि चिप्स किसी विश्वसनीय क्वांटम स्पीडअप को प्रदर्शित करते हैं या नहीं। फिर भी, नासा और गूगल ने मिलकर डी-वेव टू पर आधारित क्वांटम आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस लैब बनाई है। और पिछले साल यूनिवर्सिटी ऑफ ब्रिस्टल के वैज्ञानिकों ने अपने पारंपरिक क्वांटम चिप्स में से एक को इंटरनेट से जोड़ दिया, ताकि कोई भी वेब ब्राउज़र क्वांटम कोडिंग सीख सके।

उलझने पर पैनी नजर रखना। (ओनो एट अल।, arxiv.org)

बेहतर माइक्रोस्कोप

फरवरी में जापान के होक्काइडो विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अंतर अवरोधी कंट्रास्ट माइक्रोस्कोपी के रूप में जानी जाने वाली तकनीक का उपयोग करते हुए, दुनिया का पहला उलझाव बढ़ाने वाला माइक्रोस्कोप विकसित किया। इस प्रकार के माइक्रोस्कोप एक पदार्थ पर दो बीम के फोटॉन को आग लगाते हैं और परावर्तित बीम द्वारा बनाए गए हस्तक्षेप पैटर्न को मापते हैं - पैटर्न बदलता है कि क्या वे एक फ्लैट या असमान सतह पर निर्भर करते हैं। उलझे हुए फोटॉनों का उपयोग करने से माइक्रोस्कोप इकट्ठा हो सकने वाली जानकारी की मात्रा बहुत बढ़ जाती है, क्योंकि एक उलझा हुआ फोटॉन मापने से उसके साथी के बारे में जानकारी मिलती है।

होक्काइडो टीम एक उत्कीर्ण "क्यू" छवि बनाने में कामयाब रही जो अभूतपूर्व तेज के साथ पृष्ठभूमि से सिर्फ 17 नैनोमीटर ऊपर खड़ी थी। इंटरफेरोमीटर नामक खगोल विज्ञान उपकरण के संकल्प को बेहतर बनाने के लिए इसी तरह की तकनीकों का इस्तेमाल किया जा सकता है, जो उनके गुणों का बेहतर विश्लेषण करने के लिए प्रकाश की विभिन्न तरंगों का सुपरमिशन करता है। इंटरफेरोमीटर का उपयोग एक्स्ट्रासोलर ग्रहों के लिए शिकार में किया जाता है, पास के तारों की जांच करने के लिए और गुरुत्वाकर्षण तरंगों वाले स्पेसटाइम में तरंगों की खोज करने के लिए।

यूरोपीय रॉबिन एक क्वांटम प्राकृतिक हो सकता है। (एंड्रयू पार्किंसन / कॉर्बिस)

जैविक कम्पास

मनुष्य केवल क्वांटम यांत्रिकी का उपयोग करने वाले नहीं हैं। एक प्रमुख सिद्धांत बताता है कि यूरोपीय रॉबिन जैसे पक्षी जब प्रवास करते हैं तो ट्रैक पर रखने के लिए डरावना कार्रवाई का उपयोग करते हैं। विधि में क्रिप्टोक्रोम नामक एक प्रकाश-संवेदनशील प्रोटीन होता है, जिसमें उलझे हुए इलेक्ट्रॉन होते हैं। जैसे ही फोटोन आंख में प्रवेश करते हैं, वे क्रिप्टोक्रोम अणुओं से टकराते हैं और उन्हें अलग करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा पहुंचा सकते हैं, जिससे दो प्रतिक्रियाशील अणु, या कट्टरपंथी बनते हैं, बिना किसी बाधा के लेकिन फिर भी उलझे हुए इलेक्ट्रॉनों के साथ। पक्षी के आसपास का चुंबकीय क्षेत्र प्रभावित करता है कि ये क्रिप्टोकरंसी रेडिकल कितने समय तक चलते हैं। पक्षियों के रेटिना में मौजूद कोशिकाओं को उलझे हुए कणों की उपस्थिति के लिए बहुत संवेदनशील माना जाता है, जिससे जानवरों को अणुओं के आधार पर चुंबकीय मानचित्र को प्रभावी ढंग से 'देखने' की अनुमति मिलती है।

यह प्रक्रिया पूरी तरह से समझ में नहीं आई है, हालांकि, और एक अन्य विकल्प है: पक्षियों की चुंबकीय संवेदनशीलता उनकी चोटियों में चुंबकीय खनिजों के छोटे क्रिस्टल के कारण हो सकती है। फिर भी, यदि वास्तव में उलझाव चल रहा है, तो प्रयोगों का सुझाव है कि नाजुक स्थिति को पक्षी की नज़र में भी लंबे समय तक रहना चाहिए, यहां तक ​​कि सबसे अच्छा कृत्रिम सिस्टम भी। चुंबकीय कम्पास कुछ छिपकली, क्रसटेशियन, कीड़े और यहां तक ​​कि कुछ स्तनधारियों पर भी लागू हो सकता है। उदाहरण के लिए, मक्खियों में चुंबकीय नेविगेशन के लिए इस्तेमाल किया जाने वाला क्रिप्टोक्रोम का एक रूप भी मानव आंख में पाया गया है, हालांकि यह स्पष्ट नहीं है कि यह एक समान उद्देश्य के लिए या एक बार उपयोगी था।