क्वांटम “निचोड़” के साथ, परमाणु घड़ियाँ अधिक सटीक समय रख सकती हैं

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अधिक स्थिर परमाणु घड़ियाँ डार्क मैटर की उपस्थिति सहित क्वांटम घटना को माप सकती हैं।

परमाणु घड़ी - कलात्मक प्रभाव.

परमाणु घड़ी – कलात्मक प्रभाव. छवि क्रेडिट: एलियास नोरिका (DALL·E 3 के साथ बनाया गया

समय को स्थिर रखने की प्रथा स्थिर दोलनों पर टिकी हुई है। दादाजी की घड़ी में, एक सेकंड की लंबाई पेंडुलम के एक झटके से चिह्नित होती है। एक डिजिटल घड़ी में, क्वार्ट्ज क्रिस्टल के कंपन समय के बहुत छोटे अंशों को चिह्नित करते हैं। और परमाणु घड़ियों में, दुनिया की सबसे उन्नत टाइमकीपर्स, लेजर बीम के दोलन परमाणुओं को प्रति सेकंड 9.2 बिलियन बार कंपन करने के लिए उत्तेजित करते हैं।

समय के ये सबसे छोटे, सबसे स्थिर विभाजन आज के उपग्रह संचार, जीपीएस सिस्टम और वित्तीय बाजारों के लिए समय निर्धारित करते हैं।

किसी घड़ी की स्थिरता उसके वातावरण में शोर पर निर्भर करती है। हल्की सी हवा पेंडुलम के झूले को सिंक से बाहर कर सकती है। और गर्मी आणविक घड़ी में अणुओं के दोलन को बाधित कर सकती है। ऐसे पर्यावरणीय प्रभावों को ख़त्म करने से घड़ी की सटीकता में सुधार हो सकता है। लेकिन केवल वही.

एमआईटी के एक नए अध्ययन में पाया गया है कि भले ही बाहरी दुनिया से सारा शोर हटा दिया जाए, फिर भी घड़ियों, लेजर बीम और अन्य ऑसिलेटर की स्थिरता क्वांटम यांत्रिक प्रभावों के प्रति संवेदनशील रहेगी। ऑसिलेटर्स की सटीकता अंततः क्वांटम शोर द्वारा सीमित होगी।

लेकिन सिद्धांत रूप में, यह क्वांटम सीमा को आगे बढ़ाने का एक तरीका है। अपने अध्ययन में, शोधकर्ता यह भी दिखाते हैं कि क्वांटम शोर में योगदान देने वाले राज्यों में हेरफेर या “निचोड़” करके, थरथरानवाला की स्थिरता को इसकी क्वांटम सीमा से परे धकेला जा सकता है।

विवेकेक कहते हैं, “हमने जो दिखाया है वह यह है कि वास्तव में लेजर और घड़ियों जैसे स्थिर ऑसिलेटर कितने स्थिर हो सकते हैं, इसकी एक सीमा होती है, न केवल उनके वातावरण से, बल्कि इस तथ्य से कि क्वांटम यांत्रिकी उन्हें थोड़ा डगमगाने के लिए मजबूर करती है।” सुधीर, एमआईटी में मैकेनिकल इंजीनियरिंग के सहायक प्रोफेसर।

“फिर, हमने दिखाया है कि आप इस क्वांटम यांत्रिक कंपन से भी निजात पा सकते हैं। लेकिन आपको किसी वस्तु को उसके वातावरण से अलग करने की तुलना में अधिक होशियार होना होगा। आपको स्वयं क्वांटम अवस्थाओं के साथ खेलना होगा।”

टीम अपने सिद्धांत के प्रायोगिक परीक्षण पर काम कर रही है। यदि वे प्रदर्शित कर सकते हैं कि वे एक ऑसिलेटिंग सिस्टम में क्वांटम अवस्थाओं में हेरफेर कर सकते हैं, तो शोधकर्ताओं ने कल्पना की है कि घड़ियों, लेजर और अन्य ऑसिलेटर को सुपर-क्वांटम परिशुद्धता के साथ ट्यून किया जा सकता है।

इन प्रणालियों का उपयोग समय में अनगिनत छोटे अंतरों को ट्रैक करने के लिए किया जा सकता है, जैसे कि क्वांटम कंप्यूटर में एकल क्वबिट का उतार-चढ़ाव या डिटेक्टरों के बीच डार्क मैटर कणों की उपस्थिति।

एमआईटी के भौतिकी विभाग के स्नातक छात्र हडसन लॉफलिन कहते हैं, “हम अगले कुछ वर्षों में क्वांटम-संवर्धित टाइमकीपिंग क्षमताओं के साथ लेजर के कई उदाहरण प्रदर्शित करने की योजना बना रहे हैं।”

“हमें उम्मीद है कि हमारे हालिया सैद्धांतिक विकास और आगामी प्रयोग समय को सटीक रखने और क्रांतिकारी नई प्रौद्योगिकियों को सक्षम करने की हमारी मौलिक क्षमता को आगे बढ़ाएंगे।”

लॉफलिन और सुधीर ने ओपन एक्सेस में अपने काम का विवरण दिया पत्र-पत्रिकाओं में प्रकाशित प्रकृति संचार.

लेजर परिशुद्धता

थरथरानवाला की स्थिरता का अध्ययन करने में, शोधकर्ताओं ने सबसे पहले एक लेज़र पर ध्यान दिया – एक ऑप्टिकल थरथरानवाला जो अत्यधिक सिंक्रनाइज़ फोटॉन की तरंग जैसी किरण उत्पन्न करता है। लेज़र के आविष्कार का श्रेय काफी हद तक भौतिकविदों आर्थर शैलो और चार्ल्स टाउन्स को दिया जाता है, जिन्होंने इसके वर्णनात्मक संक्षिप्त नाम के आधार पर इसका नाम रखा: विकिरण के उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा प्रकाश प्रवर्धन।

लेज़र डिज़ाइन एक “लेज़िंग माध्यम” पर केंद्रित होता है – परमाणुओं का एक संग्रह, जो आमतौर पर कांच या क्रिस्टल में एम्बेडेड होता है। प्रारंभिक लेज़रों में, लेज़िंग माध्यम के चारों ओर एक फ्लैश ट्यूब परमाणु में इलेक्ट्रॉनों को ऊर्जा में उछाल के लिए उत्तेजित करती थी।

जब इलेक्ट्रॉन वापस कम ऊर्जा में आराम करते हैं, तो वे फोटॉन के रूप में कुछ विकिरण छोड़ते हैं। लेज़िंग माध्यम के दोनों छोर पर दो दर्पण, अधिक इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करने और अधिक फोटॉन उत्पन्न करने के लिए उत्सर्जित फोटॉन को वापस परमाणुओं में प्रतिबिंबित करते हैं।

एक दर्पण, लेज़िंग माध्यम के साथ मिलकर, फोटॉन के उत्पादन को बढ़ाने के लिए “एम्प्लीफायर” के रूप में कार्य करता है, जबकि दूसरा दर्पण आंशिक रूप से प्रसारित होता है और लेज़र प्रकाश की एक केंद्रित किरण के रूप में कुछ फोटॉनों को निकालने के लिए “युग्मक” के रूप में कार्य करता है।

लेज़र के आविष्कार के बाद से, स्कोलो और टाउन्स ने परिकल्पना की कि लेज़र की स्थिरता क्वांटम शोर द्वारा सीमित होनी चाहिए। दूसरों ने लेज़र की सूक्ष्म विशेषताओं का मॉडलिंग करके अपनी परिकल्पना का परीक्षण किया है। बहुत सटीक गणनाओं के माध्यम से, उन्होंने दिखाया कि वास्तव में, लेजर फोटॉन और परमाणुओं के बीच अगोचर, क्वांटम इंटरैक्शन उनके दोलनों की स्थिरता को सीमित कर सकते हैं।

“लेकिन यह काम बहुत विस्तृत, नाजुक गणनाओं के साथ किया जाना था, ताकि सीमाएं समझी जा सकें, लेकिन केवल कुछ प्रकार के लेजर के लिए,” सुधीर कहते हैं। “हम लेज़रों और ऑसिलेटर्स की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए इसे समझना बहुत आसान बनाना चाहते हैं।”

“निचोड़ें” चालू करें।

लेज़र की भौतिक पेचीदगियों पर ध्यान केंद्रित करने के बजाय, टीम ने समस्या को सरल बनाने पर ध्यान दिया।

“जब एक इलेक्ट्रिकल इंजीनियर एक ऑसिलेटर बनाना चाहता है, तो वे एक एम्पलीफायर लेते हैं, और वे एम्पलीफायर के आउटपुट को अपने इनपुट में फीड करते हैं,” सुधीर बताते हैं। “यह उस साँप के समान है जो अपनी ही पूँछ खाता है। यह सोचने का एक बहुत ही मुक्तिदायक तरीका है। आपको लेज़रों के बारे में पूरी जानकारी जानने की ज़रूरत नहीं है। इसके बजाय, आपके पास एक अमूर्त तस्वीर है, न केवल लेज़र की, बल्कि सभी ऑसिलेटर की।”

अपने अध्ययन में, टीम ने एक साधारण लेजर-जैसे ऑसिलेटर का प्रदर्शन किया। उनके मॉडल में एक एम्पलीफायर (जैसे कि लेजर परमाणु), एक विलंब रेखा (उदाहरण के लिए, लेजर को दर्पणों के बीच यात्रा करने में लगने वाला समय), और एक युग्मक (जैसे कि आंशिक रूप से परावर्तक दर्पण) होता है।

इसके बाद टीम ने भौतिकी समीकरण लिखे जो सिस्टम के व्यवहार का वर्णन करते हैं, और यह देखने के लिए गणना की कि सिस्टम में क्वांटम शोर कहाँ उत्पन्न होगा।

“इस समस्या को एक साधारण ऑसिलेटर में जोड़कर, हम यह पता लगा सकते हैं कि सिस्टम में क्वांटम उतार-चढ़ाव कहां होते हैं, और वे दो स्थानों पर होते हैं: एम्पलीफायर और कपलर जो हमें ऑसिलेटर से संकेत प्राप्त करने की अनुमति देते हैं,” लॉफलिन कहते हैं। “अगर हम उन दो चीजों को जानते हैं, तो हम जानते हैं कि उस ऑसिलेटर की स्थिरता पर क्वांटम सीमा क्या है।”

सुधीर का कहना है कि वैज्ञानिक अपने अध्ययन में उनके द्वारा प्रस्तुत समीकरणों का उपयोग अपने स्वयं के ऑसिलेटर में क्वांटम सीमा की गणना करने के लिए कर सकते हैं।

इसके अलावा, टीम ने दिखाया कि इस क्वांटम सीमा को पार किया जा सकता है, अगर क्वांटम शोर को दो स्रोतों में से एक में “निचोड़ा” जा सकता है। क्वांटम स्क्वीज़िंग किसी सिस्टम के एक पहलू में दूसरे पहलू में आनुपातिक उतार-चढ़ाव की कीमत पर क्वांटम उतार-चढ़ाव को कम करने का विचार है। इसका प्रभाव गुब्बारे के एक हिस्से से दूसरे हिस्से में हवा को निचोड़ने जैसा होता है।

लेज़रों के मामले में, टीम ने पाया कि यदि क्वांटम उतार-चढ़ाव को युग्मक में निचोड़ा जाता है, तो यह आउटगोइंग लेज़र बीम में परिशुद्धता, या दोलनों के समय में सुधार कर सकता है, क्योंकि परिणामस्वरूप लेज़र शक्ति में शोर भी बढ़ जाएगा। . .

“जब आप कुछ क्वांटम यांत्रिक सीमा पाते हैं, तो हमेशा यह सवाल होता है कि वह सीमा कितनी तुच्छ है?” सुधीर कहते हैं. “क्या यह वास्तव में एक कठिन पड़ाव है, या अभी भी कुछ रुचि है जिसे आप कुछ क्वांटम यांत्रिकी में हेरफेर करके निकाल सकते हैं? इस मामले में, हम पाते हैं कि ऐसा है, जो एक परिणाम है जो ऑसिलेटर्स की एक विस्तृत श्रेणी पर लागू होता है।”

जेनिफर चू द्वारा लिखित

स्रोत: मैसाचुसेट्स की तकनीकी संस्था


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