ध्वनि को छलाँग लगाते पकड़ा गया, एक बार में एक क्वांटम
गिटार का एक तार छेड़िए और आवाज़ धीरे-धीरे ख़त्म हो जाती है। लेकिन क्वांटम यांत्रिकी भविष्यवाणी करती है कि किसी भी कंपित वस्तु की ऊर्जा अलग-अलग पैकेटों में आती है — फ़ोनॉन, यानी ध्वनि के क्वांटा। दिक़्क़त यह है कि वस्तु को हिलते देखकर आप उन्हें नहीं देख सकते। स्थिति का मापन हमेशा बस एक चिकना घातांकी क्षय दिखाता है, बिल्कुल किसी क्लासिकल दोलक की तरह।
इन पैकेटों को उजागर करने के लिए आपको ख़ुद ऊर्जा को मापना होगा, और वह भी उसे छेड़े बिना: यानी तथाकथित क्वांटम नॉन-डिमॉलिशन मापन। ऊर्जा-स्तरों के बीच ऐसी छलाँगें सबसे पहले अकेले फँसे आयनों में देखी गई थीं, फिर गुहाओं में फँसे प्रकाश-कणों में। अमीर सफ़वी-नाईनी के नेतृत्व में स्टैनफ़र्ड विश्वविद्यालय और SLAC की एक टीम ने अब यह एक कंपित वस्तु के लिए कर दिखाया है।
एक क्यूबिट के ऊपर तैरता क्रिस्टल
कंपित वस्तु लिथियम नायोबेट का एक छोटा खंड है, एक ऐसा क्रिस्टल जो कंपन को वोल्टेज में बदल देता है। यह एक नक़्क़ाशीदार बीम के बीच में बैठा है, जिसके आवर्ती छेद ध्वनिक दर्पणों का काम करते हैं और कंपन को अंदर क़ैद रखते हैं। इसका प्रभावी द्रव्यमान लगभग 0.2 पिकोग्राम है — एक ग्राम के ट्रिलियनवें हिस्से का पाँचवाँ भाग।
डिटेक्टर एक अतिचालक क्यूबिट है, उसी तरह का परिपथ जो क्वांटम कंप्यूटरों में इस्तेमाल होता है। दोनों हिस्से अलग-अलग बनाए जाते हैं, फिर एक सटीक बॉन्डिंग मशीन क्रिस्टल को क्यूबिट पर ठप्पे की तरह लगा देती है, ताकि खंड उससे ठीक 75 नैनोमीटर ऊपर तैरता रहे।
युग्मन इस तरह काम करता है: खंड में हर फ़ोनॉन क्यूबिट की आवृत्ति को 328 किलोहर्ट्ज़ खिसका देता है। एक छोटे पल्स-क्रम का समय साधकर, फ़ोनॉनों की संख्या सम होने पर क्यूबिट एक अवस्था में पहुँचता है और विषम होने पर दूसरी में। चूँकि व्यवहार में खंड में ज़्यादा से ज़्यादा एक फ़ोनॉन होता है, यह एक सीधे-से सवाल पर आ टिकता है: शून्य या एक? हर जाँच में लगभग 12 माइक्रोसेकंड लगते हैं।
छलाँगें
सबसे पहले टीम ने एक अकेले फ़ोनॉन को पहचानना सीखा। एक अकेली जाँच सिर्फ़ लगभग 68% बार सही होती है, इसलिए वे इसे दोहराते हैं: लगातार छह बार “एक फ़ोनॉन” जवाब मिलने के बाद, 85% प्रायिकता से खंड में ठीक एक फ़ोनॉन होता है।
फिर वे पूछते रहे — लगातार 294 बार। कच्चे जवाब आँख से ही यह दिखा देते हैं: ज़्यादातर “एक” का एक लंबा सिलसिला, फिर अचानक ज़्यादातर “शून्य” पर बदलाव। खंड ने अपनी ऊर्जा धीरे-धीरे नहीं गँवाई; उसने अपना अकेला फ़ोनॉन एक छलाँग में खोया, एक यादृच्छिक पल पर जो हर रन में अलग था। इन छलाँगों के समय एक घातांकी नियम का पालन करते हैं, जो एक स्वतःस्फूर्त, स्मृतिहीन प्रक्रिया की पहचान है।
वे आँकड़े जो इसे संभव बनाते हैं
- इस खंड में एक फ़ोनॉन 2.1 मिलीसेकंड टिकता है, जिसे लेखक गीगाहर्ट्ज़ आवृत्तियों पर इस तरह के अनुनादक के लिए असाधारण रूप से लंबा बताते हैं। वे इसका श्रेय दो फ़ैसलों को देते हैं: कोई धातु अनुनादक को नहीं छूती, और इसकी ऊपरी सतह पर उसे तराशने वाली आयन बीम कभी नहीं पड़ती।
- इससे एक फ़ोनॉन के जीवनकाल में लगभग 170 जाँचों की गुंजाइश बनती है।
- हर जाँच लगभग 99% बार फ़ोनॉन को सही-सलामत छोड़ती है। यह छोटी-सी गड़बड़ी देखे जाने के दौरान फ़ोनॉन की उम्र घटाकर लगभग 0.65 मिलीसेकंड कर देती है।
- संयुक्त गुणवत्ता-मान, जिसे कोऑपरेटिविटी कहते हैं, 30 लाख से ज़्यादा है, जिसे लेखक दूसरे क्वांटम ध्वनिक प्लेटफ़ॉर्मों से दस गुना बेहतर बताते हैं।
ध्वनि से बने क्वांटम बिट की ओर
लेखकों का अगला क़दम एक “ड्यूल-रेल” क्वांटम बिट है, जो एक क्यूबिट साझा करने वाले दो यांत्रिक अनुनादकों से बना होगा, और जिसमें एक फ़ोनॉन का खोना एक पकड़ में आने वाली त्रुटि बन जाता है। उनकी ठप्पा तकनीक एक ही चिप पर कई अनुनादक रखने देती है। वे सेंसरों की ओर भी इशारा करते हैं: इतनी हल्की और इतनी देर तक कंपित रहने वाली वस्तु ही एक अकेले अणु को तौलने के लिए चाहिए।
फ़िलहाल मापन की अपनी सीमाएँ हैं: एक अकेली जाँच पूर्ण होने से बहुत दूर है, और यह शून्य फ़ोनॉन को दो से अलग नहीं बता सकती। दो लेखक Amazon Scholar हैं, और Amazon Web Services ने इस काम के वित्तपोषण में मदद की।
क्वांटम छलाँगें अब परमाणुओं में, प्रकाश में, और इस प्रयोग के साथ ध्वनि में देखी जा चुकी हैं।