रॉबर्ट हैनबरी ब्राउन और रिचर्ड ट्विस का अविश्वसनीय रोमांच। भाग 3: दूरबीन से क्वांटम कंप्यूटिंग तक

समापन। यहां से शुरू करें: भाग 1 , भाग 2 ।



अंग्रेजी में रॉकेट साइंस को जटिल और अस्पष्ट चीजों के बारे में कहा जाता है। रूसी में, वे अक्सर सापेक्षता या क्वांटम यांत्रिकी के सिद्धांत के साथ तुलना करने का सहारा लेते हैं। यद्यपि उत्तरार्द्ध बहुत ही सरल विचारों से शुरू होता है: मान लीजिए कि प्रकाश को व्यक्तिगत कणों - फोटॉनों द्वारा प्रचारित किया जाता है। एक सेकंड में आप 96, 97 या 99 फोटॉन देख सकते हैं, और कभी नहीं - 99 और एक आधा। यह आश्चर्यजनक रूप से सरल विचार बहुत ही असामान्य परिणाम देता है।

सीरियस को डबल टेलीस्कोप निर्देशित करने से पहले , हमारे नायकों ने प्रयोगशाला में इसका परीक्षण करने का फैसला किया। तारा एक छोटे से छेद पर केंद्रित दीपक के प्रकाश द्वारा खेला गया था, और दो दूरबीनों के बजाय, दो फोटोमल्टीप्लायर का उपयोग किया गया था। उन्हें कंधे से कंधा मिलाकर रखना संभव नहीं था, इसलिए हम एक चाल के साथ आए: "स्टार" से प्रकाश एक पारभासी दर्पण को भेजा गया था, जो विकिरण के एक आधे हिस्से को प्रतिबिंबित करता था और दूसरा संचारित होता था। एक फोटोमिल्टीप्लेयर ने "स्टार" के प्रतिबिंब को देखा, दूसरा दर्पण के पीछे खड़ा था और प्रकाश में "स्टार" को देखा:

प्रयोग ने दिखाया कि ट्विस का सिद्धांत सही है: अधिक "अलग" फोटोल्टिप्लिफ़ायर, कम मापा सहसंबंध। लेकिन यहां एक दिलचस्प सवाल सामने आया। एक photomultiplier एक बहुत ही संवेदनशील फोटोडेटेक्टर है, इसका मुख्य कार्य एक आने वाले फोटॉन के लिए एक शक्तिशाली वर्तमान नाड़ी उत्पन्न करना है:

फोटोमल्टीप्लायर। एक फोटॉन ने ऊपर बाईं ओर से उड़ान भरी और एक इलेक्ट्रॉन उत्पन्न किया। यह एक क्षेत्र द्वारा त्वरित किया गया था, एक डायनोड (मध्यवर्ती एनोड) को मारा और इसमें से दो इलेक्ट्रॉनों को खटखटाया। इन दो इलेक्ट्रॉनों ने भी गति दी और अगले डायनोड से चार इलेक्ट्रॉनों को खटखटाया, और इसी तरह। नतीजतन, एक एकल फोटॉन ने इतनी अच्छी वर्तमान पल्स उत्पन्न की।

फोटोमल्टीप्लायर प्रकाश नहीं, बल्कि एकल फोटॉन देखता है। यह तर्कसंगत है: आखिरकार, प्रकाश की तीव्रता बस एक सेकंड में पहुंचने वाले फोटॉनों की संख्या है। लेकिन फिर सहसंबंध को शोर संकेत के लिए नहीं, बल्कि फोटोन के लिए माना जाना चाहिए। उचित, क्यों नहीं? बस फोटॉनों की संख्या के साथ तीव्रता ( I ) बदलें ( n ):

स्वतंत्र स्रोतों के लिए, सहसंबंध एकता है। तार्किक रूप से: यह तलाकशुदा दूरबीनों का मामला है जब वे तारे के विभिन्न भागों को देखते हैं। लेकिन जब दूरबीनों को "स्थानांतरित" किया जाता है, तो सहसंबंध दो के बराबर हो जाता है। इसका मतलब है कि फोटॉन स्वतंत्र रूप से नहीं आते हैं, लेकिन जोड़े में! ऐसा कैसे?

क्वांटम ऑप्टिक्स की मौलिक संपत्ति को याद करने का समय आ गया है: फोटॉनों की एक पूर्णांक संख्या हमेशा किसी भी समय अंतराल के लिए आती है। इस संपत्ति के आधार पर, हार्वर्ड के रॉय ग्लुबेर एक सुसंगत सिद्धांत बनाता है जो फोटॉनों के गुणों, उनके आंकड़ों, सुसंगतता और उन सभी का वर्णन करता है। यह दूसरी परिमाणीकरण पद्धति पर आधारित है, जिसमें फोटॉन निर्माण और सर्वनाश संचालकों का उपयोग किया जाता है - नाम स्वयं के लिए बोलते हैं: टुकड़े द्वारा फोटॉन दिखाई देते हैं और गायब हो जाते हैं, और उनकी कुल संख्या हमेशा पूर्णांक रहती है।

हनबरी ब्राउन-ट्विस प्रयोग के बारे में विस्तार से वर्णित ग्लुबेर के सुसंगत सिद्धांत ने दिखाया कि फोटोन एक स्टार से (और किसी भी अन्य ताप स्रोत से - लैंप, एलईडी, गैस डिस्चार्ज आदि) जोड़े में आने के लिए वास्तव में "कोशिश" करते हैं। इसी सिद्धांत ने इस रहस्यमय सहसंबंध फ़ंक्शन जी ⁽²⁾ के भौतिक अर्थ को समझाया : यह दिखाता है कि स्रोत "फोटॉनों" को कैसे उत्सर्जित करता है। यदि जी ⁽²⁾ एकता से अधिक है, तो फोटॉन समूहों में विकीर्ण करना पसंद करते हैं; यदि एक से कम है, तो अलग से। खैर, जी ⁽²⁾ = 1 स्वतंत्र रूप से उत्सर्जित होने वाले फोटॉन से मेल खाती है। अजीब तरह से, लेजर भी जी ⁽²⁾ = 1 के साथ प्रकाश उत्पन्न करता है ।

हलकों में "स्थानांतरित" दूरबीनों के लिए अलग-अलग g ⁽²⁾ मान हैं । "विस्तारित" जी ^{(2) के लिए} हमेशा एकता (दाएं) के बराबर है।

जैसा कि अपेक्षित है, जी ⁽²⁾ = 2 का मतलब है कि फोटोन जोड़े में आते हैं, और प्रयोग सही है। हैनबरी ब्राउन परिवार ने दो जुड़वा बच्चों के जन्म के साथ इस हर्षोल्लासपूर्ण कार्यक्रम का जश्न मनाया।

रॉबर्ट हनबरी ब्राउन निश्चित रूप से प्रसन्न हो रहे हैं कि क्या हो रहा है।

मैंने सुसंगतता के सिद्धांत के बारे में और डबल फोटॉनों के जादू के बारे में बात की, लेकिन यह किसी भी तरह समझ से बाहर हो गया। सौभाग्य से, सिद्धांत का अधिक दृश्य वर्णन है। यदि स्रोत प्रति सेकंड औसतन 22.5 फोटोन उत्सर्जित करता है, तो हर सेकंड हम सबसे अधिक 22 या 23 फोटॉन का पता लगाएंगे, कम अक्सर 15 या 30, और लगभग कभी शून्य या एक सौ नहीं। फोटॉनों की संख्या के वितरण 22.5 करघों पर एक अधिकतम के साथ:

और यह कितना चौड़ा है? यह पता चला है कि "अच्छे" विकिरण के लिए (यदि फोटॉन एक दूसरे से स्वतंत्र रूप से उत्सर्जित होते हैं) एन पर केंद्रित है, तो वितरण चौड़ाई एन के मूल के बराबर है। इस वितरण को पॉइसन कहा जाता है । यदि वितरण व्यापक हो जाता है, तो इसे सुपर पॉइसन कहा जाता है (और एक संकीर्ण उप पूसन है ):

पॉइसन, उप-पॉइसन और सुपर-पॉइसन आँकड़े।

खैर, फ़ंक्शन जी ⁽²⁾ वितरण चौड़ाई दिखाता है: यह जितना बड़ा होता है, वितरण उतना ही व्यापक होता है। जी ⁽²⁾ = 1 पोइसन वितरण से मेल खाती है, जबकि यह फोटॉन की औसत संख्या पर निर्भर नहीं करता है। यही है, किसी भी लेजर के लिए - कमजोर और शक्तिशाली दोनों के लिए - जी ⁽²⁾ एकता के बराबर है।

थर्मल लाइट के लिए, जी ⁽²⁾ = 2. क्या इसका मतलब यह है कि वितरण लेजर की तुलना में दोगुना है? ज़रुरी नहीं। यह लेजर की तुलना में व्यापक है, लेकिन यह पूरी तरह से अलग दिखता है:

यही है, थर्मल विकिरण कुछ हद तक ऊर्जा के स्तर के वितरण के समान है: उच्च स्तर (अधिक से अधिक फोटॉन), इसे देखने की संभावना कम है। इसलिए मुख्य निष्कर्ष: थर्मल और सुसंगत विकिरण में मौलिक रूप से अलग सांख्यिकीय गुण होते हैं । सबसे अच्छी बात यह है कि हनबरी ब्राउन-ट्विस प्रयोग का उपयोग करके जी ⁽²⁾ को मापने से हम इन आँकड़ों को आसानी से माप सकते हैं। यह कहां लागू होता है? ठीक है, उदाहरण के लिए, जब लेज़रों को विकसित करते हुए: जी ⁽²⁾ का उपयोग करके ^, आप पीढ़ी की सीमा निर्धारित कर सकते हैं (अर्थात, ऐसी परिस्थितियां जिनके तहत थर्मल विकिरण से विकिरण लेजर हो जाता है)।

खैर, सबसे दिलचस्प (और उपयोगी) मामला है जी ⁽²⁾= 0. फोटॉन वितरण की चौड़ाई शून्य है! इसका क्या मतलब है? यह पता चला है कि फोटॉनों की संख्या सख्ती से तय की गई है और दूसरे से दूसरे में नहीं बदलती है। वितरण में एक एकल शिखर (दायां चित्र) होता है:

फोटॉन आँकड़े: पॉइसन (यह सुसंगत है, जी ⁽²⁾ = 1), थर्मल (जी ⁽²⁾ = 2), फोकोव्स्काया (यह एन-फोटॉन, जी ⁽²⁾ = 0) है।

सबसे दिलचस्प बात तब होती है जब स्रोत बिल्कुल एक फोटॉन का उत्सर्जन करता है (टोपी से पता चलता है कि ऐसी चीज को एकल-फोटॉन स्रोत कहा जाता है) क्वांटम क्रिप्टोग्राफी और इसी तरह के अनुप्रयोगों में ऑप्टिकल ट्रांजिस्टर, स्विचिंग क्वाइट्स के संचालन के लिए ऐसे उपकरणों की आवश्यकता होती है। उनके लिए आवश्यकताएं बहुत गंभीर हैं: उन्हें किसी भी तरह से एक से अधिक फोटॉन उत्पन्न नहीं करना चाहिए। अन्यथा, एक बेतरतीब ढंग से उत्सर्जित फोटॉन सूचना रिसाव को जन्म दे सकता है। या, उदाहरण के लिए, ऑप्टिकल कुंजी पहले फोटॉन से चालू होगी और तुरंत दूसरी से बंद हो जाएगी। इसलिए, एकल-फोटॉन स्रोतों का पूरी तरह से परीक्षण किया जाना चाहिए।

एक फोटॉन (या बेहतर - दो) का पता कैसे लगाएं? एक पारंपरिक फोटोडायोड बेकार है: प्रतिक्रिया बहुत कमजोर होगी। वे एक हिमस्खलन डायोड का उपयोग करते हैं - लेकिन इसकी कमियां हैं। उदाहरण के लिए, इसके पास मृत समय है : आने वाले प्रत्येक फोटॉन के लिए, यह एक लंबी वर्तमान पल्स उत्पन्न करता है, और दूसरा फोटॉन इस समय आता है, डायोड बस इसे नोटिस नहीं करता है:

रेड हैचिंग एक मृत समय है। आमतौर पर यह 100 पिकोसेकंड से कम नहीं होता है।

हमारे मुख्य पात्रों का विचार बचाव के लिए आता है: चलो प्रकाश को पारभासी दर्पण और दो डिटेक्टरों पर निर्देशित करते हैं, और फिर जी ⁽²⁾ के मूल्य की गणना करते हैं । यदि g ⁽²⁾ = 0 है, तो स्रोत एकल-फोटॉन है, यदि g ⁽²⁾ > 0 है, तो कभी-कभी यह अन्य फोटॉन का उत्सर्जन करता है। और अब - ध्यान, शारीरिक जादू! - यह क्यों काम करता है के तीन स्पष्टीकरण:

1. वितरण के साथ एक तस्वीर से।

यदि हर दूसरा स्रोत एक फोटॉन का उत्सर्जन करता है, तो हिस्टोग्राम में "1" पर एक कॉलम है, वितरण चौड़ाई शून्य है और जी ⁽²⁾ = 0. यदि कभी-कभी 2 फोटोन उत्सर्जित होते हैं, तो स्तंभ हिस्टोग्राम में "2" पर दिखाई देता है और वितरण चौड़ाई बढ़ती है, और इसके साथ, जी ⁽²⁾ बढ़ता है ।

2. सूत्र से

यदि स्रोत एकल-फोटॉन है, तो n1 + n2 = 1, जिसका अर्थ है कि संख्याओं में से एक शून्य है, जिसका अर्थ है कि n1 और n2 का उत्पाद शून्य भी है, साथ ही जी ^{(2) भी है} । यदि दो फोटोन उत्सर्जित होते हैं (n1 + n2 = 2), तो शायद n1 = n2 = n1 * n2 = 1, और g ⁽²⁾ शून्य से अधिक हो जाते हैं।

3. और अंत में, सबसे महत्वपूर्ण बात: सामान्य ज्ञान से! यदि फोटोन जोड़े में उत्सर्जित होते हैं, तो समय-समय पर एक फोटॉन एक डायोड को हिट करेगा, और दूसरा - दूसरे को। फिर हम डायोड - संयोगों के तुल्यकालिक संचालन को देखेंगे जो कि जी ⁽²⁾ के मूल्य को बढ़ाते हैं । यदि स्रोत वास्तव में एकल-फोटॉन है, तो डायोड कभी भी एक साथ काम नहीं करेंगे।

हनबरी ब्राउन-ट्विस विचार एकल-फोटॉन स्रोतों के विश्लेषण में पूरी तरह से अपरिहार्य है। एक अच्छे स्रोत के लिए, सहसंबंध समारोह g ⁽²⁾ कुछ इस तरह दिखता है:

यहां शून्य बाएं में नहीं है, लेकिन बीच में है; बाईं ओर डिटेक्टरों में से एक की नकारात्मक शिफ्ट हैं (जैसे कि बाएं टेलिस्कोप दाईं ओर दाईं ओर था)। मुख्य बात अपरिवर्तनीय है: शून्य समय में देरी जी ⁽²⁾ शून्य तक पहुंचती है, बहुत बड़े देरी से फोटॉन स्वतंत्र रूप से उत्सर्जित होते हैं और जी ⁽²⁾ = 1.

लेकिन एक अच्छा-अच्छा स्रोत कुछ इस तरह दिखता है:

यह देखा जा सकता है कि फ़ंक्शन 0.4 से नीचे नहीं आता है। इसका मतलब यह है कि स्रोत अक्सर फोटॉनों के जोड़े का उत्सर्जन करता है, और विशेष रूप से महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों के लिए दूसरे की तलाश करना बेहतर होता है।

रॉय ग्लाउबर को 2005 में सुसंगतता के सिद्धांत के लिए नोबेल पुरस्कार मिला। हमारे मुख्य पात्र इसे साझा नहीं कर सकते: रिचर्ड ट्विस केवल छह महीने तक इस क्षण तक नहीं रहे; तीन साल पहले रॉबर्ट हानबरी ब्राउन गए थे। लेकिन, जैसा कि आप जानते हैं, सबसे बड़ी मान्यता तब होती है जब आपका नाम एक घरेलू नाम बन जाता है। एक सरल और शानदार विचार - एक ग्लास प्लेट और दो डायोड का उपयोग करके सहसंबंधों को मापना - इतिहास में हनबरी ब्राउन-ट्विस सर्किट नाम से बना रहा ।

शीर्ष वैज्ञानिक पत्रिकाओं में 2015 के लेख प्रकृति और विज्ञान ने हनबरी ब्राउन-ट्विस योजना का उपयोग करके सहसंबंधों के मापन के साथ। अवलोकन का कार्य: इसे पाँच स्थानों में खोजें :)।

यह कहानी को समाप्त करता है, लेकिन इसकी तार्किक निरंतरता यहां पाई जा सकती है। एम। फॉक्स के

स्रोत
। क्वांटम प्रकाशिकी: एक परिचय - ऑक्सफोर्ड यूनिवर्सिटी प्रेस, 2006.
आर। हनबरी ब्राउन। इंटेंसिटी इंटरफेरोमीटर। खगोल विज्ञान के लिए इसका अनुप्रयोग। - लंदन: टेलर एंड फ्रांसिस, 1974.
आर। हनबरी ब्राउन। बोफ़िन: ए पर्सनल स्टोरी ऑफ़ द अर्ली डेज़ ऑफ़ राडार, रेडियो एस्ट्रोनॉमी एंड क्वांटम ऑप्टिक्स - ब्रिस्टल: एडम हिल्गर, 1991।
ओबिचुरी: रॉबर्ट हैनबरी ब्राउन। नेचर 416, 34 (2002)।

चित्र: 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 ।

Source: https://habr.com/ru/post/hi386779/