क्वांटम घड़ी : समय मापने का नया तरीका
टिक-टिक करती घड़ियों और दोलन करते लोलक की हमारी दुनिया में समय के बीतने का निर्धारण ‘तब’ और ‘अब’ के बीच के सेकंड गिनने जैसा ही है। हालांकि, भिनभिनाते इलेक्ट्रॉनों के क्वांटम पैमाने पर, ‘तब’ का हमेशा पूर्वानुमान नहीं लगाया जा सकता। इससे भी बदतर, ‘अब’ अक्सर अस्पष्टता के धुंध में खो जाता है। कुछ परिस्थितियों में स्टॉपवॉच काम नहीं करेगी। स्वीडन के उप्साला विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं द्वारा 2022 में किए गए एक अध्ययन के अनुसार, क्वांटम कोहरे के आकार में ही एक संभावित समाधान खोजा जा सकता है। उनके परिणामों के सारांश के लिए नीचे दिया गया वीडियो देखें; रिडबर्ग अवस्था नामक किसी चीज़ की तरंग-जैसी प्रकृति पर उनके प्रयोगों ने समय मापने का एक नया तरीका उजागर किया जिसके लिए किसी सटीक प्रारंभिक बिंदु की आवश्यकता नहीं होती।
रिडबर्ग परमाणु कण जगत के अति-फुलाए हुए गुब्बारे हैं। हवा के बजाय लेज़रों से फुलाए गए, इन परमाणुओं में अत्यधिक उच्च-ऊर्जा अवस्थाओं में इलेक्ट्रॉन होते हैं, जो नाभिक से दूर परिक्रमा करते हैं। बेशक, लेज़र के हर पंप से परमाणु को कार्टूनी आकार तक फुलाना ज़रूरी नहीं है। दरअसल, लेज़रों का इस्तेमाल नियमित रूप से विभिन्न उपयोगों के लिए इलेक्ट्रॉनों को उच्च ऊर्जा अवस्थाओं में पहुँचाने के लिए किया जाता है। कुछ अनुप्रयोगों में, इलेक्ट्रॉन की स्थिति में होने वाले परिवर्तनों, जिसमें समय बीतना भी शामिल है, की निगरानी के लिए एक दूसरे लेज़र का इस्तेमाल किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, इन ‘पंप-प्रोब’ तकनीकों का इस्तेमाल कुछ अति-तीव्र इलेक्ट्रॉनिक्स की गति मापने के लिए किया जा सकता है।
परमाणुओं को रिडबर्ग अवस्थाओं में लाना इंजीनियरों के लिए एक आसान तरकीब है, खासकर जब क्वांटम कंप्यूटरों के लिए नए घटकों को डिज़ाइन करने की बात आती है। कहने की ज़रूरत नहीं कि भौतिकविदों ने रिडबर्ग अवस्था में धकेले जाने पर इलेक्ट्रॉनों की गति के तरीके के बारे में काफ़ी जानकारी इकट्ठा कर ली है। हालाँकि, क्वांटम प्राणी होने के नाते, उनकी गतियाँ एक छोटे से अबेकस पर सरकते मोतियों जैसी कम और रूलेट टेबल पर खेली जाने वाली शाम जैसी ज़्यादा होती हैं, जहाँ गेंद का हर रोल और उछाल एक ही भाग्य के खेल में सिमट जाता है।
रिडबर्ग इलेक्ट्रॉन रूलेट के इस अनोखे खेल के पीछे गणितीय नियम पुस्तिका को रिडबर्ग तरंग पैकेट कहा जाता है। वास्तविक तरंगों की तरह, एक से ज़्यादा रिडबर्ग तरंग पैकेटों के एक ही स्थान में तरंगित होने से व्यतिकरण उत्पन्न होता है, जिसके परिणामस्वरूप तरंगों के अनोखे पैटर्न बनते हैं। एक ही परमाणु तालाब में पर्याप्त रिडबर्ग तरंग पैकेट डालें, और ये अनोखे पैटर्न, तरंग पैकेटों को एक-दूसरे के अनुरूप विकसित होने में लगने वाले विशिष्ट समय का प्रतिनिधित्व करेंगे। समय के इन्हीं ‘फिंगरप्रिंट्स’ का परीक्षण इन प्रयोगों के पीछे के भौतिकविदों ने किया था, यह दिखाते हुए कि ये क्वांटम टाइमस्टैम्पिंग के रूप में काम करने के लिए पर्याप्त सुसंगत और विश्वसनीय थे।
उनके शोध में लेज़र-उत्तेजित हीलियम परमाणुओं के परिणामों को मापना और उनके निष्कर्षों का सैद्धांतिक पूर्वानुमानों से मिलान करना शामिल था ताकि यह दिखाया जा सके कि उनके विशिष्ट परिणाम एक निश्चित समयावधि तक कैसे टिक सकते हैं। “अगर आप काउंटर का इस्तेमाल कर रहे हैं, तो आपको शून्य को परिभाषित करना होगा। आप किसी बिंदु पर गिनती शुरू करते हैं,” स्वीडन के उप्साला विश्वविद्यालय की भौतिक विज्ञानी मार्टा बेरहोल्ट्स, जिन्होंने इस टीम का नेतृत्व किया, ने 2022 में न्यू साइंटिस्ट को समझाया। “इसका फ़ायदा यह है कि आपको घड़ी शुरू करने की ज़रूरत नहीं है – आप बस व्यतिकरण संरचना को देखते हैं और कहते हैं ‘ठीक है, 4 नैनोसेकंड हो गए हैं।'”
विकसित होते रिडबर्ग तरंग पैकेटों की एक गाइडबुक का उपयोग पंप-प्रोब स्पेक्ट्रोस्कोपी के अन्य रूपों के साथ संयोजन में किया जा सकता है जो घटनाओं को छोटे पैमाने पर मापते हैं, जब अब और तब कम स्पष्ट होते हैं, या मापने के लिए बहुत असुविधाजनक होते हैं। महत्वपूर्ण बात यह है कि किसी भी फ़िंगरप्रिंट को समय के आरंभ और अंत बिंदु के रूप में तब और अब की आवश्यकता नहीं होती है। यह एक अज्ञात धावक की दौड़ को निर्धारित गति से दौड़ रहे कई प्रतियोगियों के विरुद्ध मापने जैसा होगा। पंप-प्रोब परमाणुओं के एक नमूने में हस्तक्षेप करने वाले रिडबर्ग अवस्थाओं के संकेत की खोज करके, तकनीशियन केवल 1.7 ट्रिलियन सेकंड जितनी क्षणभंगुर घटनाओं के लिए टाइमस्टैम्प देख सकते हैं। भविष्य के क्वांटम वॉच प्रयोगों में हीलियम की जगह अन्य परमाणुओं का उपयोग किया जा सकता है, या यहाँ तक कि विभिन्न ऊर्जाओं के लेज़र पल्स का उपयोग करके, टाइमस्टैम्प की गाइडबुक को व्यापक परिस्थितियों के अनुरूप विस्तृत किया जा सकता है। यह शोध फिजिकल रिव्यू रिसर्च में प्रकाशित हुआ था।
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