1920 के दशक में, क्वांटम यांत्रिकी, सिद्धांत जो परमाणुओं के व्यवहार से लेकर क्वांटम कंप्यूटरों के संचालन तक सब कुछ रेखांकित करता है, व्यापक स्वीकृति प्राप्त करने के रास्ते पर था। लेकिन एक रहस्य बना रहा: कभी-कभी क्वांटम वस्तुएं, जैसे कि इलेक्ट्रॉन, परमाणु और अणु, कणों की तरह व्यवहार करते हैं, अन्य तरंगों की तरह। कभी-कभी वे एक ही समय में कणों और तरंगों की तरह व्यवहार भी करते हैं। इसलिए, इन क्वांटम वस्तुओं का अध्ययन करते समय, यह कभी स्पष्ट नहीं था कि वैज्ञानिकों को अपनी गणना में किस दृष्टिकोण का उपयोग करना चाहिए।
कभी-कभी वैज्ञानिकों को यह मानना पड़ता था कि सही परिणाम प्राप्त करने के लिए क्वांटम वस्तुएं तरंगें थीं। अन्य मामलों में, उन्हें यह मान लेना पड़ा कि वस्तुएँ वास्तव में कण हैं। कभी-कभी कोई भी तरीका काम करता था। लेकिन अन्य मामलों में, केवल एक दृष्टिकोण ने सही परिणाम दिया, जबकि दूसरे ने एक फर्जी परिणाम दिया। इस समस्या का इतिहास बहुत पुराना है, लेकिन हाल के प्रयोगों ने इस पुराने प्रश्न पर नई रोशनी डाली है।
क्वांटम इतिहास
1801 में थॉमस यंग द्वारा पहली बार इसी नाम के डबल-स्लिट प्रयोग में, प्रकाश ने तरंगों की तरह व्यवहार किया। इस प्रयोग में, एक लेज़र बीम को डबल स्लिट पर निर्देशित किया जाता है, और फिर परिणामी पैटर्न को देखा जाता है। यदि प्रकाश में कण होते हैं, तो प्रकाश के दो स्लिट-आकार के ब्लॉक की अपेक्षा की जाती है। इसके बजाय, परिणाम एक विशिष्ट पैटर्न में व्यवस्थित प्रकाश के कई छोटे ब्लॉक हैं। पानी की धारा में एक डबल स्लिट रखने से नीचे के समान पैटर्न होगा। तो इस प्रयोग से यह निष्कर्ष निकला कि प्रकाश एक तरंग है।
फिर, 1881 में, हेनरिक हर्ट्ज़ ने एक मज़ेदार खोज की। जब उन्होंने दो इलेक्ट्रोड लिए और उनके बीच पर्याप्त रूप से उच्च वोल्टेज लगाया, तो चिंगारियां दिखाई दीं। यह सामान्य बात है। लेकिन जब हर्ट्ज ने इन इलेक्ट्रोडों पर प्रकाश डाला, तो स्पार्क वोल्टेज बदल गया। यह इस तथ्य से समझाया गया था कि प्रकाश ने इलेक्ट्रोड सामग्री से इलेक्ट्रॉनों को खटखटाया। लेकिन, अजीब तरह से, उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की अधिकतम गति नहीं बदली, अगर प्रकाश की तीव्रता बदल गई, लेकिन प्रकाश की आवृत्ति के साथ बदल गई। यदि तरंग सिद्धांत सत्य होता तो यह परिणाम असंभव होता। 1905 में, अल्बर्ट आइंस्टीन के पास एक समाधान था: प्रकाश वास्तव में एक कण था। यह सब असंतोषजनक था। वैज्ञानिक एक सिद्धांत को पसंद करते हैं जो हमेशा दो सिद्धांतों के लिए सच होता है जो कभी-कभी सत्य होते हैं। और यदि कोई सिद्धांत कभी-कभी ही सत्य होता है, तो हम कम से कम यह तो कहना चाहेंगे कि वह किन परिस्थितियों में सत्य है।
लेकिन इस खोज के साथ ठीक यही समस्या थी। भौतिकविदों को यह नहीं पता था कि कब प्रकाश या किसी अन्य वस्तु को तरंग के रूप में और कब कण के रूप में माना जाए। वे जानते थे कि कुछ चीजें तरंग जैसे व्यवहार का कारण बनती हैं, जैसे कि स्लिट्स के किनारे। लेकिन उनके पास इस बात की स्पष्ट व्याख्या नहीं थी कि ऐसा क्यों है या किसी सिद्धांत का उपयोग कब करना है।
इस पहेली को कहा जाता है कणिका-लहर द्वैतवाद, अभी भी संरक्षित है। लेकिन एक नया अध्ययन स्थिति पर कुछ प्रकाश डाल सकता है। कोरिया इंस्टीट्यूट ऑफ बेसिक साइंसेज के वैज्ञानिकों ने दिखाया है कि प्रकाश स्रोत के गुण इस बात को प्रभावित करते हैं कि यह एक कण है और यह कितना तरंग है। इस समस्या का अध्ययन करने के लिए एक नए दृष्टिकोण के साथ, उन्होंने एक ऐसा मार्ग प्रशस्त किया है जिससे क्वांटम कंप्यूटिंग में सुधार भी हो सकता है। या ऐसी उम्मीदें।
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कण और तरंगें कैसे बनाते हैं
प्रयोग में, वैज्ञानिकों ने लेजर बीम को दो भागों में विभाजित करने के लिए एक अर्ध-परावर्तक दर्पण का उपयोग किया। इनमें से प्रत्येक किरण क्रिस्टल से टकराती है, जो बदले में दो फोटॉन उत्पन्न करती है। कुल चार फोटॉन उत्सर्जित होते हैं, प्रत्येक क्रिस्टल से दो।
वैज्ञानिकों ने प्रत्येक क्रिस्टल से एक फोटॉन को इंटरफेरोमीटर में भेजा। यह उपकरण दो प्रकाश स्रोतों को जोड़ता है और एक हस्तक्षेप पैटर्न बनाता है। इस पैटर्न की खोज सबसे पहले थॉमस यंग ने अपने उपरोक्त दो-स्लिट प्रयोग में की थी। जब आप दो पत्थरों को एक तालाब में फेंकते हैं तो आप भी यही देखते हैं: पानी की लहरें, जिनमें से कुछ एक दूसरे को मजबूत करती हैं और अन्य एक दूसरे को बेअसर करती हैं। दूसरे शब्दों में, व्यतिकरणमापी प्रकाश की तरंग प्रकृति का पता लगाता है।
अन्य दो फोटॉनों के पथों का उपयोग उनकी कणिका संबंधी विशेषताओं को निर्धारित करने के लिए किया गया था। हालांकि कागज के लेखकों ने यह निर्दिष्ट नहीं किया कि उन्होंने यह कैसे किया, यह आमतौर पर एक फोटॉन को एक सामग्री के माध्यम से पारित करके किया जाता है जो दिखाता है कि फोटॉन कहां गया। उदाहरण के लिए, आप एक गैस के माध्यम से एक फोटॉन शूट कर सकते हैं, जो तब प्रज्वलित होगा जहां फोटॉन पारित हुआ था। अंतिम गंतव्य के बजाय प्रक्षेपवक्र पर ध्यान केंद्रित करके, फोटॉन एक लहर हो सकता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि यदि आप समय के प्रत्येक क्षण में फोटॉन के सटीक स्थान को मापते हैं, तो यह बिंदु जैसा होता है और स्वयं को हिट नहीं कर सकता।
यह क्वांटम भौतिकी में कई उदाहरणों में से एक है जहां एक माप उक्त माप के परिणाम को सक्रिय रूप से प्रभावित करता है। इसलिए, प्रयोग के इस भाग में, फोटॉन प्रक्षेपवक्र के अंत में हस्तक्षेप पैटर्न अनुपस्थित था। इस प्रकार, शोधकर्ताओं ने पता लगाया कि एक फोटॉन एक कण कैसे हो सकता है। अब चुनौती यह निर्धारित करने की थी कि इसमें से कितना कण था और कितना तरंग प्रकृति का बचा था।
चूँकि एक ही क्रिस्टल के दोनों फोटॉन एक साथ उत्पन्न होते हैं, वे एक एकल क्वांटम अवस्था बनाते हैं। इसका मतलब है कि एक गणितीय सूत्र खोजना संभव है जो इन दोनों फोटॉनों का एक साथ वर्णन करता है। नतीजतन, यदि शोधकर्ता यह निर्धारित कर सकते हैं कि दो फोटॉनों की "पक्षपातपूर्णता" और "तरंग दैर्ध्य" कितनी मजबूत हैं, तो क्रिस्टल तक पहुंचने वाले पूरे बीम पर मात्रा का ठहराव लागू किया जा सकता है।
दरअसल, शोधकर्ता सफल हुए। उन्होंने मापा कि हस्तक्षेप पैटर्न की दृश्यता की जाँच करके फोटॉन कितना लहराता है। जब दृश्यता अधिक थी, तो फोटॉन बहुत तरंग जैसा था। जब पैटर्न मुश्किल से दिखाई दे रहा था, तो उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि फोटॉन एक कण की तरह होना चाहिए।
और यह दृश्यता आकस्मिक थी। यह उच्चतम था जब दोनों क्रिस्टल को लेजर बीम की समान तीव्रता प्राप्त हुई। हालांकि, अगर एक क्रिस्टल से बीम दूसरे की तुलना में बहुत अधिक तीव्र था, तो पैटर्न की दृश्यता बहुत कम हो गई थी, और फोटॉन कणों की तरह दिखने की अधिक संभावना थी।
यह परिणाम आश्चर्यजनक है क्योंकि अधिकांश प्रयोगों में प्रकाश को केवल तरंगों या कणों के रूप में ही मापा जाता है। आज कई प्रयोगों में दोनों मापदंडों को एक साथ मापा गया। इसका मतलब यह है कि यह निर्धारित करना आसान है कि प्रकाश स्रोत में प्रत्येक संपत्ति का कितना हिस्सा है।
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सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी खुश हैं
यह परिणाम सिद्धांतकारों द्वारा पहले की गई भविष्यवाणी के अनुरूप है। उनके सिद्धांत के अनुसार, एक क्वांटम वस्तु कितनी तरंग जैसी और कणिका है, यह स्रोत की शुद्धता पर निर्भर करता है। इस संदर्भ में शुद्धता इस संभावना को व्यक्त करने का एक शानदार तरीका है कि एक विशेष क्रिस्टलीय स्रोत प्रकाश उत्सर्जित करने वाला होगा। सूत्र इस प्रकार है: V2 + P2 = μ2, जहां V दिशात्मक पैटर्न की दृश्यता है, P पथ की दृश्यता है, और μ स्रोत की शुद्धता है।
इसका मतलब है कि प्रकाश जैसी क्वांटम वस्तु कुछ हद तक तरंग जैसी और कुछ हद तक कण जैसी हो सकती है, लेकिन यह स्रोत की शुद्धता से सीमित है। एक क्वांटम वस्तु तरंग जैसी होती है यदि एक हस्तक्षेप पैटर्न दिखाई देता है या यदि V का मान शून्य के बराबर नहीं है। इसके अलावा, यह कण-जैसा है यदि पथ देखने योग्य है या यदि P गैर-शून्य है।
इस भविष्यवाणी का एक और परिणाम यह है कि शुद्धता यह है कि यदि क्वांटम पथ का उलझाव अधिक है, तो शुद्धता कम है, और इसके विपरीत। प्रयोग करने वाले वैज्ञानिकों ने इसे गणितीय रूप से अपने काम में दिखाया। क्रिस्टल की शुद्धता को ट्यून करके और परिणामों को मापकर, वे यह दिखाने में सक्षम थे कि ये सैद्धांतिक भविष्यवाणियां वास्तव में सही थीं।
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तेज़ क्वांटम कंप्यूटर?
क्वांटम ऑब्जेक्ट के उलझाव और उसकी कणिका और लहराती के बीच का संबंध विशेष रूप से दिलचस्प है। क्वांटम डिवाइस जो क्वांटम इंटरनेट को शक्ति प्रदान कर सकते हैं वे उलझाव पर आधारित हैं। क्वांटम इंटरनेट शास्त्रीय कंप्यूटरों के लिए इंटरनेट क्या है, इसका एक क्वांटम सादृश्य है। कई क्वांटम कंप्यूटरों को एक साथ जोड़कर और उन्हें डेटा साझा करने की अनुमति देकर, वैज्ञानिकों को एक क्वांटम कंप्यूटर के मुकाबले अधिक शक्ति हासिल करने की उम्मीद है।
लेकिन एक ऑप्टिकल फाइबर को नीचे भेजने के बजाय, जो कि हम शास्त्रीय इंटरनेट को शक्ति प्रदान करने के लिए करते हैं, हमें क्वांटम इंटरनेट बनाने के लिए qubits को उलझाने की आवश्यकता है। एक कण के उलझाव और एक फोटॉन की लहर को मापने में सक्षम होने का मतलब है कि हम क्वांटम इंटरनेट की गुणवत्ता को नियंत्रित करने के सरल तरीके खोज सकते हैं।
इसके अलावा, क्वांटम कंप्यूटर स्वयं कण-तरंग द्वैतवाद का उपयोग करके बेहतर बन सकते हैं। चीन के सिंघुआ विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं के प्रस्ताव के मुताबिक, इसकी शक्ति बढ़ाने के लिए एक मल्टी-स्लिट जाली के माध्यम से एक छोटा क्वांटम कंप्यूटर चलाना संभव है। एक छोटे क्वांटम कंप्यूटर में कुछ परमाणु होते हैं जिनका उपयोग स्वयं क्वैबिट के रूप में किया जाता है, और ऐसे उपकरण पहले से मौजूद हैं।
इन परमाणुओं को एक मल्टीस्लिट जाली के माध्यम से पारित करना एक डबल स्लिट के माध्यम से प्रकाश पारित करने के समान ही है, हालांकि निश्चित रूप से थोड़ा अधिक जटिल है। यह अधिक संभव क्वांटम राज्यों का निर्माण करेगा, जो बदले में, "निकाल दिया" कंप्यूटर की शक्ति को बढ़ाएगा। इसके पीछे का गणित इस पेपर में समझाने के लिए बहुत जटिल है, लेकिन महत्वपूर्ण परिणाम यह है कि इस तरह के दो-क्वांटम कंप्यूटर पारंपरिक क्वांटम कंप्यूटरों की तुलना में समानांतर कंप्यूटिंग में बेहतर हो सकते हैं। समानांतर कंप्यूटिंग शास्त्रीय कंप्यूटिंग में भी आम है और मूल रूप से एक कंप्यूटर की क्षमता को एक साथ कई गणना करने के लिए संदर्भित करता है, जिससे यह समग्र रूप से तेज हो जाता है।
इसलिए, जबकि यह बहुत ही बुनियादी शोध है, संभावित अनुप्रयोग पहले से ही क्षितिज पर हैं। फिलहाल यह साबित करना असंभव है, लेकिन ये खोजें क्वांटम कंप्यूटर को गति दे सकती हैं और क्वांटम इंटरनेट के उद्भव को थोड़ा तेज कर सकती हैं।
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बहुत मौलिक, लेकिन बहुत दिलचस्प
यह सब बहुत संदेह के साथ लिया जाना चाहिए। शोध ठोस है, लेकिन यह भी बहुत बुनियादी है। जैसा कि आमतौर पर विज्ञान और प्रौद्योगिकी के मामले में होता है, बुनियादी शोध से लेकर वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों तक एक लंबा रास्ता तय करना है।
लेकिन कोरिया के शोधकर्ताओं ने एक बहुत ही दिलचस्प बात की खोज की: कण-लहर द्वैतवाद का रहस्य जल्द ही कभी भी गायब नहीं होगा। इसके विपरीत, ऐसा लगता है कि यह सभी क्वांटम वस्तुओं में इतनी गहराई से निहित है कि इसका उपयोग करना बेहतर है। स्रोत की शुद्धता से संबंधित नए मात्रात्मक आधार के साथ, यह करना आसान हो जाएगा।
क्वांटम कंप्यूटिंग में पहले उपयोग के मामलों में से एक हो सकता है। जैसा कि वैज्ञानिकों ने दिखाया है, क्वांटम उलझाव और कण-तरंग द्वैतवाद संबंधित हैं। इस प्रकार, उलझाव के बजाय, लहराती और कणिका की मात्रा को मापा जा सकता है। यह क्वांटम इंटरनेट बनाने पर काम कर रहे वैज्ञानिकों की मदद कर सकता है। या आप उपयोग कर सकते हैं द्वंद्व क्वांटम कंप्यूटरों को बेहतर बनाने और उन्हें तेज बनाने के लिए। किसी भी तरह से, ऐसा लगता है कि रोमांचक क्वांटम समय बस कोने के आसपास है।
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लेख के लिए धन्यवाद! "संभावित कार्यक्रम पहले से ही क्षितिज पर हैं" - शायद कार्यक्रम नहीं, लेकिन अनुप्रयोग?
धन्यवाद, बहुत दिलचस्प। ऐसे और भी लेख।
आपको धन्यवाद! हम कोशिश करेंगे ;)