آواز رنگے ہاتھوں چھلانگ لگاتے پکڑی گئی، ایک وقت میں ایک کوانٹم
گٹار کا تار چھیڑیے تو آواز ہموار طریقے سے ختم ہو جاتی ہے۔ تاہم کوانٹم میکانیات پیش گوئی کرتی ہے کہ ہر تھرتھراتی شے کی توانائی الگ الگ پیکٹوں میں آتی ہے — یعنی فونون، آواز کے کوانٹا۔ مشکل یہ ہے کہ شے کو حرکت کرتے دیکھ کر انہیں نہیں دیکھا جا سکتا۔ مقام کی پیمائش ہمیشہ صرف ایک ہموار قوت نمائی (exponential) زوال دکھاتی ہے، بالکل کسی کلاسیکی ارتعاش کنندہ کی طرح۔
پیکٹوں کو ظاہر کرنے کے لیے خود توانائی کو ناپنا پڑتا ہے، اور وہ بھی اسے چھیڑے بغیر: یعنی نام نہاد کوانٹم غیر تخریبی پیمائش (quantum non-demolition)۔ توانائی کی سطحوں کے درمیان ایسی چھلانگیں پہلے پھندے میں قید واحد آئنوں میں دیکھی گئیں، پھر خانوں (cavities) میں قید روشنی کے ذرات میں۔ اسٹینفورڈ یونیورسٹی اور SLAC کی ایک ٹیم نے، جس کی قیادت امیر صفوی نائینی کر رہے تھے، اب یہ ایک تھرتھراتی شے کے لیے کر دکھایا ہے۔
کیوبٹ کے اوپر معلق ایک قلم
تھرتھرانے والی شے لیتھیم نائیوبیٹ کا ایک ننھا بلاک ہے، ایک ایسا قلم (crystal) جو ارتعاش کو برقی وولٹیج میں بدلتا ہے۔ یہ ایک نقش دار شہتیر کے مرکز میں واقع ہے جس کے باقاعدہ وقفوں والے سوراخ صوتی آئینوں کا کام کرتے ہیں اور ارتعاش کو اندر قید رکھتے ہیں۔ اس کی مؤثر کمیت تقریباً 0.2 پیکوگرام ہے — یعنی ایک گرام کے دس کھربویں حصے کا پانچواں حصہ۔
ڈیٹیکٹر ایک سپر کنڈکٹنگ کیوبٹ ہے، وہی سرکٹ جو کوانٹم کمپیوٹروں میں استعمال ہوتا ہے۔ دونوں حصے الگ الگ بنائے جاتے ہیں، پھر ایک باریک بین جوڑنے والی مشین قلم کو کیوبٹ پر ثبت کر دیتی ہے، یوں بلاک اس سے صرف 75 نینو میٹر اوپر معلق رہتا ہے۔
ربط اس طرح کام کرتا ہے: بلاک میں ہر فونون کیوبٹ کی فریکوئنسی کو 328 کلو ہرٹز سرکا دیتا ہے۔ ایک مختصر سلسلۂ نبضات کا وقت درست رکھ کر، فونونز کی تعداد جفت ہو تو کیوبٹ ایک حالت میں پہنچتا ہے اور طاق ہو تو دوسری میں۔ چونکہ عملاً بلاک میں زیادہ سے زیادہ ایک فونون ہوتا ہے، اس لیے بات ایک سادہ سوال تک آ جاتی ہے: صفر یا ایک؟ ہر جانچ میں تقریباً 12 مائیکرو سیکنڈ لگتے ہیں۔
چھلانگیں
پہلے ٹیم نے ایک واحد فونون کو پہچاننا سیکھا۔ ایک اکیلی جانچ صرف تقریباً 68% بار درست ہوتی ہے، اس لیے وہ اسے دہراتے ہیں: لگاتار چھ بار “ایک فونون” کے جواب کے بعد، 85% احتمال کے ساتھ بلاک میں ٹھیک ایک فونون ہوتا ہے۔
پھر وہ پوچھتے رہے — لگاتار 294 بار۔ خام جوابات ہی آنکھ سے یہ دکھا دیتے ہیں: زیادہ تر “ایک” کا ایک طویل سلسلہ، پھر اچانک زیادہ تر “صفر” کی طرف تبدیلی۔ بلاک نے اپنی توانائی بتدریج نہیں گنوائی؛ اس نے اپنا واحد فونون ایک چھلانگ میں کھو دیا، ایک بے ترتیب لمحے پر جو ہر تجربے میں مختلف تھا۔ ان چھلانگوں کے اوقات ایک قوت نمائی قانون کی پیروی کرتے ہیں، جو ایک خود بخود ہونے والے، حافظے سے عاری عمل کی پہچان ہے۔
وہ اعداد جو اسے ممکن بناتے ہیں
- اس بلاک میں ایک فونون 2.1 ملی سیکنڈ تک باقی رہتا ہے، جسے مصنفین گیگا ہرٹز فریکوئنسیوں پر اس قسم کے ریزونیٹر کے لیے غیر معمولی طور پر طویل قرار دیتے ہیں۔ وہ اس کا سہرا دو انتخابات کو دیتے ہیں: کوئی دھات ریزونیٹر کو نہیں چھوتی، اور اس کی اوپری سطح پر کبھی وہ آئن شعاع نہیں پڑتی جو اسے تراشنے (etching) کے لیے استعمال ہوتی ہے۔
- اس سے ایک فونون کی عمر میں تقریباً 170 جانچوں کی گنجائش نکل آتی ہے۔
- ہر جانچ تقریباً 99% بار فونون کو سلامت چھوڑتی ہے۔ یہ معمولی خلل نگرانی کے دوران فونون کی عمر کو تقریباً 0.65 ملی سیکنڈ تک گھٹا دیتا ہے۔
- مجموعی معیارِ کارکردگی، جسے کوآپریٹیویٹی کہتے ہیں، 30 لاکھ سے تجاوز کر جاتا ہے، جسے مصنفین دیگر کوانٹم صوتی پلیٹ فارموں سے دس گنا بہتر بتاتے ہیں۔
آواز سے بنے کوانٹم بِٹس کی جانب
مصنفین کا اگلا قدم ایک “دوہری پٹری” (dual-rail) کوانٹم بِٹ ہے، جو ایک ہی کیوبٹ میں شریک دو میکانیکی ریزونیٹروں سے بنا ہو، جس میں فونون کا ضائع ہونا ایک قابلِ شناخت غلطی بن جاتا ہے۔ ان کی ثبت کرنے کی تکنیک ایک ہی چپ پر کئی ریزونیٹر رکھنے کی اجازت دیتی ہے۔ وہ سینسروں کی طرف بھی اشارہ کرتے ہیں: ایک واحد سالمے کا وزن کرنے کے لیے بالکل ایسی ہی شے درکار ہے جو اتنی ہلکی ہو اور اتنی دیر تک تھرتھراتی رہے۔
فی الحال پیمائش کی اب بھی حدود ہیں: ایک اکیلی جانچ کامل ہونے سے بہت دور ہے، اور یہ صفر فونون کو دو سے الگ نہیں کر سکتی۔ مصنفین میں سے دو Amazon Scholars ہیں، اور Amazon Web Services نے اس کام کی مالی معاونت کی۔
کوانٹم چھلانگیں اب ایٹموں میں، روشنی میں اور، اس تجربے کے ساتھ، آواز میں دیکھی جا چکی ہیں۔