आधुनिक विज्ञान में सबसे गहरी पहेलियों में से एक है कि क्वांटम यांत्रिकी और सामान्य सापेक्षता – 20 वीं शताब्दी के भौतिकी के दो महान स्तंभ – कैसे – साथ जमाये हुये। क्वांटम यांत्रिकी परमाणुओं और उप -परमाणु कणों की सूक्ष्म दुनिया को नियंत्रित करता है। सामान्य सापेक्षता गुरुत्वाकर्षण और स्पेसटाइम की संरचना का वर्णन करती है। दोनों सिद्धांत अपने डोमेन में आश्चर्यजनक रूप से सफल हैं, लेकिन वे अभी तक एक एकीकृत ढांचे में गठबंधन नहीं करते हैं। एक केंद्रीय कठिनाई परीक्षण में निहित है जहां दो सिद्धांत मिल सकते हैं। जबकि क्वांटम प्रयोग अक्सर नियंत्रित प्रयोगशालाओं में होते हैं, स्पेसटाइम वक्रता के प्रभाव आमतौर पर केवल खगोलीय पैमानों पर बेहोश और पता लगाने योग्य होते हैं।
अमेरिका के विश्वविद्यालयों से जैकब कोवे, इगोर पिकोवस्की और जोहान्स बोरेगार्ड द्वारा एक नए अध्ययन ने इस चौराहे की जांच करने के लिए एक नया तरीका प्रस्तावित किया है। परमाणु घड़ियों के एक वितरित नेटवर्क का उपयोग करके, वे एक प्रयोग को रेखांकित करते हैं जो सीधे बता सकता है कि क्वांटम सिस्टम घुमावदार स्पेसटाइम में कैसे व्यवहार करते हैं। उनका दृष्टिकोण परमाणु भौतिकी, क्वांटम नेटवर्किंग और सटीक टाइमकीपिंग में एक बार-आउटलैंडिश विचार को एक वास्तविक प्रयोगात्मक संभावना बनाने के लिए अग्रिमों का उपयोग करता है।
“क्वांटम थ्योरी और ग्रेविटी के बीच परस्पर क्रिया आज भौतिकी में सबसे चुनौतीपूर्ण समस्याओं में से एक है, लेकिन यह भी आकर्षक है,” इगोर पिकोवस्की, अमेरिका में स्टीवंस इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी में स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग एंड साइंस में सह-लेखक और सहायक प्रोफेसर में से एक, ने एक बयान में कहा।
अध्ययन में प्रकाशित किया गया था पीआरएक्स क्वांटम जुलाई में। बोरेगार्ड और पिकोवस्की द्वारा सह-लेखक एक पूरक सैद्धांतिक कार्य में दिखाई दिया भौतिक समीक्षा अनुसंधान मई में।
वक्र को संवेदन
एक सदी से अधिक के लिए, भौतिकविदों ने क्वांटम यांत्रिकी और गुरुत्वाकर्षण को पाटने का सपना देखा है। प्रयास आम तौर पर दो श्रेणियों में आते हैं। एक क्वांटम गुरुत्वाकर्षण के एक पूर्ण सिद्धांत के लिए खोज है, जहां गुरुत्वाकर्षण को प्रकृति के अन्य बलों की तरह ही मात्रा में रखा जाता है। उदाहरण के लिए, विद्युत चुम्बकीय बल को फोटॉन, प्रकाश के कणों के रूप में निर्धारित किया जाता है। इस श्रेणी में लक्ष्य एक सिद्धांत विकसित करना है जो ग्रेविटन नामक काल्पनिक कणों का उपयोग करके ब्रह्मांड की गुरुत्वाकर्षण विशेषताओं की व्याख्या कर सकता है।
अन्य श्रेणी का एक अधिक मामूली लक्ष्य है: यह पता लगाना कि साधारण क्वांटम सिस्टम कैसे पहले से ही गुरुत्वाकर्षण द्वारा घुमावदार स्पेसटाइम में व्यवहार करते हैं। इस दृष्टिकोण को सट्टा नए सिद्धांतों की आवश्यकता नहीं है, लेकिन फिर भी मूलभूत प्रश्न पूछता है। उदाहरण के लिए, क्या मूल क्वांटम सिद्धांत जैसे कि यूनिटरिटी, रैखिकता और जन्म का नियम अभी भी धारण करता है?
इस प्रकार, अधिकांश प्रयोगशाला प्रयोगों ने केवल इस धारणा के साथ क्वांटम यांत्रिकी का परीक्षण किया है कि गुरुत्वाकर्षण एक सरल बल है जो वस्तुओं को एक भारी द्रव्यमान की ओर खींचता है। उदाहरण के लिए, न्यूट्रॉन उछाल के प्रयोगों और परमाणु इंटरफेरोमीटर ने पृथ्वी की गुरुत्वाकर्षण क्षमता से प्रेरित चरण बदलावों को दिखाया है, लेकिन उन्होंने सापेक्षता के कारण गहन प्रभावों की जांच नहीं की है।
ऐसा ही एक प्रभाव स्पेसटाइम की वक्रता है। अर्थात्, सापेक्षता के सामान्य सिद्धांत के अनुसार, एक विशाल वस्तु अपने चारों ओर स्पेसटाइम को वक्र करेगी। जब एक हल्का शरीर स्पेसटाइम के इस क्षेत्र से गुजरता है, तो यह स्वाभाविक रूप से घुमावदार पथ के साथ विक्षेपित हो जाएगा। विक्षेपण के लिए जिम्मेदार स्पष्ट बल को गुरुत्वाकर्षण कहा जाता है। यही कारण है, उदाहरण के लिए, चंद्रमा को पृथ्वी के चारों ओर कक्षा में कहा जाता है: यह बस पृथ्वी के द्रव्यमान से घुमावदार स्पेसटाइम के साथ चल रहा है।
इस दृश्य रूपक में, तकिया स्पेसटाइम की तरह है और भारी गेंद पृथ्वी या सूर्य हो सकती है। द्रव्यमान अपने चारों ओर स्पेसटाइम झुकता है। जब एक और शरीर इस क्षेत्र का पता लगाता है, तो यह एक घुमावदार मार्ग का अनुसरण करता है। | फोटो क्रेडिट: चैट 5 के साथ बनाई गई छवि 5
वक्रता की एक टेल-टेल फीचर यह है कि समय केवल दो बिंदुओं पर अलग-अलग नहीं प्रवाहित होता है: यह अंतरिक्ष में गैर-स्पष्ट रूप से बदलता है। उदाहरण के लिए, पृथ्वी की सतह से 1 किमी और 2 किमी दूर दो घड़ियों द्वारा मापा गया समय के बीच का अंतर बिल्कुल वैसा नहीं है जैसा कि दो घड़ियों 3 किमी और 4 किमी दूर से मापा गया समय के बीच का अंतर है। यह असमानता एक सीधा संकेत है कि स्पेसटाइम जो घड़ियों में निवास करता है, वह घुमावदार है।
एक प्रयोग में इसे मापने के लिए सेटअप को कम से कम तीन स्थानों से डेटा की तुलना एक साथ करने की आवश्यकता होगी।
ओवररचिंग लक्ष्य (i) एक विशुद्ध रूप से क्वांटम सिस्टम स्थापित करना है, फिर (ii) सिस्टम के गुणों में घुमावदार स्पेसटाइम के प्रभावों की तलाश करता है। यदि वैज्ञानिक किसी भी प्रभाव को देखते हैं, तो वे (पोस्ट-न्यूटोनियन) गुरुत्वाकर्षण और क्वांटम भौतिकी के एक चौराहे का प्रदर्शन करेंगे।
नए अध्ययन में, लेखकों ने तीन उलझी हुई परमाणु घड़ियों के एक नेटवर्क का निर्माण किया है, जो किलोमीटर-स्केल ऊंचाई के अंतर से अलग हो गए हैं, जो एक “वितरित घड़ी” के रूप में एक साथ कार्य करते हैं। ऐसा करने से, वे कहते हैं कि वे सीधे परीक्षण कर सकते हैं कि कैसे घुमावदार स्पेसटाइम घड़ी में क्वांटम हस्तक्षेप पैटर्न को प्रभावित करता है।
यदि यह प्रयोगात्मक सेटअप सफल होता है, तो यह क्वांटम सिस्टम का उपयोग करके स्पेसटाइम वक्रता की पहली प्रयोगशाला जांच हो सकती है – एक प्रमुख छलांग आगे।
शोधकर्ताओं ने अत्याधुनिक क्वांटम नेटवर्किंग और परमाणु घड़ी प्रौद्योगिकियों के आधार पर एक प्रोटोकॉल तैयार किया। इसके दिल में डब्ल्यू राज्य नामक उलझाव की स्थिति है।
एक लचीला दोस्ती
क्वांटम भौतिकी में, इलेक्ट्रॉनों या फोटॉन जैसे कणों को इस तरह से जोड़ा जा सकता है कि जो होता है वह दूसरों को तुरंत प्रभावित करता है। इस अजीब कनेक्शन को उलझाव कहा जाता है। यह क्वांटम कंप्यूटर और क्वांटम संचार जैसी क्वांटम प्रौद्योगिकियों के लिए सबसे महत्वपूर्ण संसाधनों में से एक है।
डब्ल्यू राज्य तीन या अधिक कणों को शामिल करने वाले उलझाव का एक विशेष उदाहरण है। कल्पना कीजिए कि आपके पास तीन क्वांटम बिट्स (क्वबिट्स) हैं। डब्ल्यू राज्य निम्नलिखित की तरह कुछ दिखता है: एक क्विट स्टेट 1 (उत्साहित) में है और अन्य 0 में हैं (उत्साहित नहीं)। लेकिन आप नहीं जानते कि कौन सा 1 है। इसके बजाय, तीनों संभावनाएं – पहले 1 है या दूसरा है 1 या तीसरा 1 है – एक संतुलित क्वांटम सुपरपोजिशन में एक साथ संयुक्त हैं। दूसरे शब्दों में, तीनों में से एक Qubits 1 है, लेकिन तीनों में पूरी तरह से साझा तरीके से।
डब्ल्यू राज्य में बहुत मजबूत तरह का उलझाव है। यहां तक कि अगर आप कणों में से एक को खो देते हैं, तो अन्य अभी भी एक दूसरे से उलझे हुए हैं। यह एक और प्रसिद्ध उलझी हुई अवस्था, GHz राज्य से अलग है, जो एक कण को हटाने पर पूरी तरह से अपने उलझाव को खो देता है।
एक रहस्य साझा करने के बारे में तीन दोस्तों के बारे में सोचें। एक GHz राज्य में, यदि एक दोस्त छोड़ता है, तो रहस्य खो जाता है। एक डब्ल्यू राज्य में, भले ही एक दोस्त छोड़ देता है, लेकिन शेष दो दोस्त अभी भी रहस्य का हिस्सा साझा करते हैं। यही कारण है कि भौतिक विज्ञानी डब्ल्यू स्टेट जैसे: यह अधिक लचीला है।
क्वांटम सिम्फनी
नया प्रोटोकॉल ytterbium परमाणुओं को qubits के रूप में उपयोग करने का प्रस्ताव करता है। परमाणुओं की कुछ संपत्ति आवधिक फैशन में आगे और पीछे बदल जाती है, जैसे घड़ी टिक। प्रत्येक परमाणु पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण में अपनी स्थिति के कारण अलग -अलग समय का अनुभव करेगा। कुछ समय के लिए विकसित होने के बाद, तीनों राज्यों को फिर से तैयार किया जाता है और मापा जाता है। यदि परमाणुओं की डब्ल्यू राज्य घुमावदार स्पेसटाइम से प्रभावित हो गई है, तो वैज्ञानिकों को परमाणुओं के तीन जोड़े के बीच समय-दलील के अनुरूप संपत्ति के मूल्य में ‘बदलाव’ को मापने की उम्मीद करनी चाहिए। यही है, ये बदलाव वक्रता की छाप को ही ले जाएंगे।
शोधकर्ताओं के विश्लेषण के अनुसार, यह प्रस्तावित सेटअप सिद्धांत रूप में परमाणुओं की आवृत्ति में छोटी बदलावों को हल कर सकता है। उदाहरण के लिए, जब परमाणुओं को पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र के माध्यम से 1 किमी से अलग किया जाता है और अलग -अलग ytterbium परमाणु अपने क्वांटम स्थिति को लगभग 50 सेकंड के लिए पकड़ने में सक्षम होते हैं (जिसे सुसंगत समय कहा जाता है), आवृत्ति शिफ्ट 0.02 हर्ट्ज के क्रम की हो सकती है। इस बदलाव को मापना आसान होगा। और जबकि सुसंगत समय बहुत अधिक है, यह आधुनिक प्रौद्योगिकियों की पहुंच के भीतर है – यदि केवल।
अमेरिका में वर्जीनिया टेक में भौतिकी के एक प्रोफेसर और जो अध्ययन से संबद्ध नहीं थे, “कोवे और उनके सहयोगियों द्वारा प्रस्तावित योजना को लागू करना वर्तमान में प्रयोगात्मक रूप से संभव है, जो प्रयोगात्मक रूप से संभव है, की सीमा पर है।” एपीएस भौतिकी। “मुख्य कठिनाई आवश्यक सामूहिक, उलझी हुई स्थिति की अपरिहार्य नाजुकता है।”
उस ने कहा, इस तरह के प्रयोग के निहितार्थ दूरगामी हैं। सबसे पहले, यह क्वांटम सिद्धांत और सामान्य सापेक्षता के बीच इंटरफ़ेस की जांच करने में एक बड़ा कदम होगा, एक सीमा जो अब तक काफी हद तक सैद्धांतिक है। प्रत्यक्ष प्रमाण कि क्वांटम सुसंगतता और हस्तक्षेप घुमावदार स्पेसटाइम में बने रहते हैं, क्वांटम यांत्रिकी की सार्वभौमिकता में विश्वास को मजबूत करेगा।
दूसरा, प्रयोग को यूनिटरिटी, रैखिकता, और घुमावदार स्पेसटाइम के प्रभाव में जन्मे नियम का परीक्षण करने के लिए संशोधित किया जा सकता है, जो भौतिकी में कुछ सबसे मौलिक खुले प्रश्नों को संबोधित करेगा। यदि क्वांटम यांत्रिकी एक सिम्फनी थी, तो रैखिकता का मतलब है कि सभी संभावित नोट्स एक बार में खेले जा सकते हैं, एक बार में, यूनिटारिटी यह सुनिश्चित करती है कि संगीत कभी भी अपनी लय या ऊर्जा नहीं खोता है, और जन्मे नियम का मतलब है कि जब आप अंततः सुनते हैं, तो आप एक कैकोफनी के बजाय एक स्पष्ट राग सुनते हैं।
यदि वैज्ञानिक किसी भी विचलन का निरीक्षण करते हैं, तो यह मानक क्वांटम सिद्धांत से परे नए भौतिकी का संकेत हो सकता है। यहां तक कि एक शून्य परिणाम – जो कि सब कुछ अपेक्षित रूप से व्यवहार करता है – मूल्यवान पुष्टि प्रदान करेगा कि इस पैमाने पर कोई छिपा हुआ टूटना नहीं होता है।
ये तीन पहलू “क्वांटम राज्यों की संरचना, विकास और माप के लिए केंद्रीय हैं,” मिनिक ने लिखा। “टीम के दृष्टिकोण की मुख्य नवीनता यह है कि यह पिछले एक दशक में तटस्थ परमाणुओं पर किए गए कई अग्रिमों को जोड़ती है और घुमावदार स्पेसटाइम की एक नई, अद्वितीय क्वांटम जांच प्राप्त करने के लिए आयन फंसे हुए हैं।”
चतुर होने के लिए कमरा
“हम मानते हैं कि क्वांटम सिद्धांत हर जगह रखता है – लेकिन हम वास्तव में नहीं जानते कि क्या यह सच है,” पिकोवस्की ने कहा। “यह हो सकता है कि गुरुत्वाकर्षण बदल जाता है कि क्वांटम यांत्रिकी कैसे काम करती है। वास्तव में, कुछ सिद्धांत इस तरह के संशोधनों का सुझाव देते हैं, और क्वांटम तकनीक इसका परीक्षण करने में सक्षम होगी।”
तीसरा, कार्यप्रणाली आगे की खोज के लिए दरवाजे खोलती है। उलझे हुए परमाणु नेटवर्क को परिष्कृत करके, वैज्ञानिक अधिक चरम गुरुत्वाकर्षण वातावरण की जांच कर सकते हैं, शायद यहां तक कि जहाज पर भी, जहां बड़े पृथक्करण और लगभग-शून्य-शोर वातावरण संभव हैं। इस तरह के सिस्टम एक दिन अंधेरे पदार्थ और गुरुत्वाकर्षण तरंगों जैसी विदेशी संस्थाओं के लिए संवेदनशील डिटेक्टरों के रूप में काम कर सकते हैं।
छात्रों और युवा शोधकर्ताओं के लिए, नया अध्ययन यह भी दर्शाता है कि ब्रह्मांड के बारे में कुछ सबसे बुनियादी सवालों को कभी-कभी-बड़े मशीनों के निर्माण से नहीं, बल्कि चतुराई से सटीक उपकरण वैज्ञानिकों के संयोजन द्वारा संबोधित किया जा सकता है। क्वांटम यांत्रिकी और सापेक्षता को एकजुट करने का सपना अभी भी दूर हो सकता है, लेकिन इस तरह के प्रयोगों ने इसे मूर्त रूप से करीब ला सकता है।
