यह क्वांटम मशीन अव्यवस्था के लिए ब्रह्मांड की इच्छा के विपरीत लगती है।

पहले क्वांटम सिमुलेटर में से एक ने रहस्यमय घटना का प्रदर्शन किया: परमाणुओं की एक श्रृंखला जो समय-समय पर एक आदेशित राज्य में लौटती है। रेसिंग भौतिक विज्ञानी यह समझाने की कोशिश कर रहे हैं कि क्या हो रहा है।

पिघलने वाली आइसक्रीम सहज ठंड के अधीन नहीं है। हालाँकि, क्वांटम सिमुलेटरों में से एक सिस्टम के संतुलन तक पहुँचने के बाद लगातार एक क्रमबद्ध स्थिति में वापस आ जाता है।

पर्याप्त समय बीत जाएगा, और यहां तक ​​कि सबसे साफ कमरे में भी गड़बड़ होगी। कपड़े, किताबें और कागजात अपनी क्रमबद्ध स्थिति और फर्श पर बिखरे हुए छोड़ देंगे। और, गुस्से में, विकार की ओर यह प्रवृत्ति प्रकृति के एक नियम को दर्शाती है: विकार बढ़ता है।

यदि, उदाहरण के लिए, आप दबाव में गोताखोर के गुब्बारे को खोलते हैं, तो इसके अंदर के वायु के अणु बाहर उड़ जाएंगे और कमरे के चारों ओर बिखरेगा। गर्म पानी में एक आइस क्यूब रखें, और एक ऑर्डर किए गए क्रिस्टल जाली में जमे हुए पानी के अणु उनके बंधन तोड़ देंगे और तितर-बितर कर देंगे। जब मिश्रित और वितरित किया जाता है, तो सिस्टम पर्यावरण के साथ संतुलन के लिए जाता है, जिसे थर्मलकरण कहा जाता है।

यह एक आम और सहज प्रभाव है जो भौतिकविदों द्वारा एक पंक्ति में 51 रुबिडियम परमाणुओं को पंक्तिबद्ध करने और लेज़रों के साथ जगह में रखने की उम्मीद थी। परमाणुओं ने एक आदेशित संरचना के साथ शुरू किया, और न्यूनतम ऊर्जा और उत्साहित राज्य के साथ "जमीन" राज्य के बीच स्विच किया। शोधकर्ताओं ने सुझाव दिया है कि यह प्रणाली जल्दी से थर्मल हो जाती है: जमीन और उत्साहित राज्यों का विकल्प कुछ यादृच्छिक अनुक्रम के रूप में लगभग तुरंत शांत हो जाएगा।

पहले तो सीक्वेंस गड़बड़ा गए। लेकिन फिर, वैज्ञानिकों के आश्चर्य के कारण, वे अपने मूल वैकल्पिक अनुक्रम में लौट आए। अतिरिक्त मिश्रण के बाद, परमाणु अपने मूल विन्यास में लौट आए। राज्यों ने माइक्रोसेकंड के प्रति आवृत्ति के साथ आगे और पीछे बारी-बारी से - लंबे समय के बाद सिस्टम को थर्मल किया जाना था।

यह सब ऐसा लग रहा था कि आपने बर्फ के टुकड़े को गर्म पानी में गिरा दिया, और यह सिर्फ पिघला नहीं, हार्वर्ड विश्वविद्यालय के भौतिक विज्ञानी और वैज्ञानिकों के एक समूह के नेता मिखाइल लुकिन ने कहा। उन्होंने कहा, "हम बर्फ को पिघलाते हैं और फिर क्रिस्टलाइज़ करते हैं, फिर पिघलते हैं और फिर से क्रिस्टलाइज़ करते हैं।" "यह कुछ बहुत ही असामान्य है।"

भौतिकविदों ने इस अजीब व्यवहार को "बहु-कण क्वांटम स्कारिंग" कहा है। परमाणु, जाहिरा तौर पर, अतीत की छाप को सहन करते हैं, जैसे कि कुछ प्रकार के निशान, जो उन्हें बार-बार मूल कॉन्फ़िगरेशन में वापस लाते हैं।

जर्नल नेचर में काम के प्रकाशन के बाद से 16 महीनों में, भौतिकविदों के कई समूहों ने इन क्वांटम निशान की प्रकृति को समझने की कोशिश की। कुछ लोगों का मानना ​​है कि यह खोज क्वांटम कणों की बातचीत और व्यवहार की एक नई श्रेणी खोल सकती है, भौतिकविदों की धारणाओं को नकारते हुए कि इस तरह की प्रणाली अनिवार्य रूप से थर्मलकरण की ओर बढ़ रही है। इसके अलावा, स्कारिंग प्रभाव से लंबी अवधि के भंडारण के नए प्रकार के क्वांटम बिट्स का निर्माण हो सकता है, जो भविष्य के क्वांटम कंप्यूटरों के प्रमुख घटक हैं।

आगामी शून्य संभावना

भौतिकविदों, वास्तव में, 51 परमाणुओं की एक प्रणाली का निर्माण करते समय, उन्होंने क्वांटम गणनाओं को ध्यान में रखा था। इस प्रणाली की कल्पना एक क्वांटम सिम्युलेटर के रूप में की गई थी, जो क्वांटम प्रक्रियाओं को अनुकरण करने के लिए डिज़ाइन की गई मशीन है जिसे शास्त्रीय कंप्यूटर का उपयोग करके अन्य तरीकों से जांच नहीं की जा सकती है। एक समय में, यह प्रणाली सभी का सबसे बड़ा क्वांटम सिम्युलेटर थी।

हार्वर्ड मशीन के परमाणु, क्वबिट्स के रूप में काम करते हैं, और उनके राज्यों, बुनियादी या उत्साहित, को Rydberg राज्य कहा जाता है। शोधकर्ता बदलकर प्रणाली को समायोजित कर सकते हैं, उदाहरण के लिए, एक दूसरे के साथ परमाणुओं के संपर्क की ताकत।

शोधकर्ताओं ने जमीन और परमाणुओं के उत्साहित राज्यों के कई प्रारंभिक क्रम तैयार किए हैं। चूंकि परमाणु सक्रिय रूप से एक दूसरे के साथ बातचीत करते हैं, इसलिए उन्हें ऊष्मीकरण में आना चाहिए। लेकिन एक गैस में अणुओं के सदृश परस्पर क्रियाओं के बजाय, इस तरह के क्वांटम सिस्टम में परमाणु एक प्रकार का गहरा क्वांटम बॉन्ड बनाते हैं, जिसे उलझाव के रूप में जाना जाता है। "और फिर भ्रम फैलता है," ल्यूकिन ने कहा। "यही कारण है कि थर्मलकरण होता है।"


मिखाइल लुकिन

और आमतौर पर सिम्युलेटर में जटिलता बढ़ी। हालांकि, जब शोधकर्ताओं ने प्रयोग शुरू किया, तो परमाणुओं को बारी-बारी से उत्तेजित और जमीनी अवस्थाओं के क्रम में व्यवस्थित किया, तो कण पहले उलझ गए, और फिर इसे खो दिया, मूल विन्यास से आगे और पीछे की ओर झुकाव।

ऐसा व्यवहार असंभव लग रहा था, असंभव के कगार पर। परमाणुओं की बातचीत शुरू होने के बाद, उनके वैकल्पिक अनुक्रम को बहुत जल्दी भूल जाना चाहिए, क्योंकि परमाणु उत्साहित और जमीनी राज्यों के संभावित अनुक्रमों की एक बड़ी संख्या में जा सकते हैं। यह एक सिलेंडर, हवा के अणुओं के साथ उदाहरण के समान है, जिसमें से मूल कॉन्फ़िगरेशन को छोड़ दें और कमरे के चारों ओर प्रचार करें। उनके वितरण के लिए, स्थानों की एक बड़ी संख्या है, इसलिए संभावना है कि वे सभी गलती से कंटेनर में वापस निचोड़ कर व्यावहारिक रूप से शून्य हैं।

इंग्लैंड में यूनिवर्सिटी ऑफ लीड्स के भौतिक विज्ञानी ज़्लातको पपिच ने कहा, "क्वांटम सिस्टम इतने सारे संभावित अस्तित्व में मौजूद हो सकता है कि मूल पर लौटना बेहद मुश्किल होगा।"

हालांकि, ल्यूकिन का कहना है कि यह वही है जो उन्होंने मनाया है। पपीच ने कहा कि सिस्टम कुछ विशेष भौतिकी के साथ संपन्न है, जो इसे अपने रास्ते से वापस जाने की अनुमति देता है। "वह ब्रेडक्रंब के एक निशान के पीछे छोड़ देता है, और रास्ते की शुरुआत में लौटता है।"

"यह एक क्वांटम मशीन के साथ की गई पहली वास्तविक खोज है," ल्यूकिन ने कहा।

ल्यूकिन और सहकर्मियों ने प्रयोग का वर्णन करना शुरू किया, लेकिन काम के प्रकाशन से पहले, ल्यूकिन ने जुलाई 2017 में इटालियन ट्रिएस्ट में एक सम्मेलन में इसका वर्णन किया। "हम यह नहीं जानते कि यह कैसे समझना है," पैपीच ने कहा, जो उस दिन दर्शकों में था। "मुझे नहीं लगता कि उनमें से किसी के पास इसके कारणों को समझाने के लिए विचार थे।"

स्टेडियम में निशान

जल्द ही, हालांकि, पापीच और सहयोगियों ने महसूस किया कि इस तरह का व्यवहार लगभग 30 साल पहले खोजी गई घटना जैसा दिखता है। 1980 के दशक में, हार्वर्ड के भौतिक विज्ञानी एरिक गेलर ने क्वांटम अराजकता का अध्ययन किया: यदि क्वांटम यांत्रिकी को अराजक प्रणालियों पर लागू किया जाता है तो क्या होगा? विशेष रूप से, गेलर ने " बनिमोविच स्टेडियम " के अंदर गेंदों की उछाल की जांच की - गोल कोनों के साथ एक आयताकार तालिका। प्रणाली अराजक है; पर्याप्त रूप से लंबे समय के लिए, गेंद स्टेडियम के अंदर सभी संभावित प्रक्षेपवक्रों के साथ गुजरेगी । लेकिन अगर आप एक निश्चित कोण पर गेंद को लॉन्च करते हैं, तो यह हमेशा उसी पथ का अनुसरण करेगा।

एक विचार प्रयोग में, गेलर ने गेंद को एक क्वांटम कण से बदल दिया। "भोली उम्मीद यह है कि अगर हमारी शास्त्रीय प्रणाली पहले से ही अराजक है," पैपिच ने कहा, तो क्वांटम यांत्रिकी के नियमों को जोड़ने के बाद, "किसी को और भी अराजक व्यवहार की उम्मीद करनी चाहिए।" एक कण की तरंग क्रिया - उसके क्वांटम गुणों का एक सार गणितीय पैकेज - स्टेडियम के चारों ओर धब्बा होना चाहिए, क्योंकि लहरें तालाब के माध्यम से फैलती हैं। स्टेडियम में एक विशिष्ट स्थान पर एक कण को ​​खोजने की संभावना उसके सभी बिंदुओं के लिए बराबर होनी चाहिए।


बनीमोविच स्टेडियम में रखा एक कण निशान, निशान दिखा सकता है, जहां इसकी पहचान की संभावना अधिक है

हालांकि, गेलर ने पाया कि तरंग फ़ंक्शन समान रूप से नहीं फैलता है, लेकिन शास्त्रीय उदाहरण के प्रक्षेपवक्र को दोहराते हुए रास्तों पर जम जाता है, जिसके साथ गेंद अंतहीन चलती है। मानो लहरें इस विशेष प्रक्षेपवक्र की स्मृति उत्पन्न करती हैं। "यह एक तरह से लहरों के लिए घर है," गेलर ने कहा। "वे अपने जन्म स्थान पर लौटना चाहते हैं।" इतना आसान है। ”

इस प्रक्षेपवक्र पर होने के नाते, कण तरंग फ़ंक्शन रचनात्मक रूप से स्वयं के साथ हस्तक्षेप करती है, चोटियों को चोटियों में जोड़ती है, और डिप्स को डुबकी लगाती है। नतीजतन, कण के रास्ते में कहीं होने की संभावना है। ग्राफ पर, संभाव्यता वितरण शास्त्रीय आवधिक प्रक्षेपवक्र के धुंधले संस्करण जैसा दिखता है। "वे मुझे निशान की तरह लगते हैं," गेलर ने कहा। इसलिए, 1984 में अपने काम में , उन्होंने उन्हें बुलाया।

शायद इसी तरह की घटना को इस तथ्य से समझाया जा सकता है कि 51 परमाणुओं की एक प्रणाली अपने मूल विन्यास पर लौट रही है, पपीच ने सोचा था। शायद उसे भी घर की याद आती है।

चीरा छोड़ना

यह पता लगाने के लिए, पापीच और सहयोगियों ने 51-परमाणु प्रणाली मॉडल के क्वांटम राज्यों का विश्लेषण किया । उन्होंने पाया कि उसका अजीब दोलन वाला व्यवहार वास्तव में गेलर की क्वांटम स्कारिंग जैसा था। उन्होंने उन स्थितियों की पहचान की, जो उन विशेष मामलों से मिलती जुलती थीं, जो दाग के निशान के अनुरूप थे। समय-समय पर इन राज्यों में लौटने से, सिस्टम थर्मलकरण से बच सकता था। क्वांटम स्कारिंग के साथ संबंध इतना मजबूत था कि उनके पिछले साल के जर्नल नेचर फ़िज़िक्स में प्रकाशित कार्य में, उन्होंने इस घटना को "मल्टीपार्टिकल क्वांटम स्कारिंग" कहा।

पेपिच के विश्लेषण के कारण शुरुआती संदेह के बावजूद, ल्यूकिन, साथ ही वेन वी हो , एक हार्वर्ड भौतिक विज्ञानी और अन्य ने जनवरी में प्रकाशित एक पेपर में क्वांटम स्कारिंग के साथ एक मजबूत संबंध स्थापित किया। उन्होंने 51-परमाणु प्रणाली की स्थिति को सार स्थान के रूप में वर्णित करने का एक शास्त्रीय तरीका निर्धारित किया। सिस्टम की स्थिति में बदलाव के साथ, एक बिंदु अंतरिक्ष में चलता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि जब सिस्टम को अपने स्वयं के अजीब कंपन का अनुभव होता है, तो बिंदु स्टेडियम के बिलियर्ड टेबल के साथ रखी एक विशेष आवधिक प्रक्षेपवक्र पर एक गेंद की तरह आगे और पीछे लटकता है।


एक प्रयोगात्मक सेटअप जिसमें शोधकर्ताओं ने एक क्वांटम सिम्युलेटर बनाया

एक क्लासिक सादृश्य को खोजते हुए, शोधकर्ताओं ने इस दावे को पुष्ट किया कि एक एकल हेलर कण की घटना कई-कण प्रणाली पर लागू होती है। "इन लोगों को स्पष्ट रूप से कुछ मिला," गेलर ने कहा। - निश्चित रूप से "।

एक बात स्पष्ट है - इस प्रयोग से दुनिया भर के शोधकर्ताओं की रुचि जागृत हुई। कैलिफोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के एक समूह ने 51-परमाणु प्रणाली के कुछ विशेष राज्यों के लिए गणितीय अभिव्यक्तियों की पहचान की है। प्रिंसटन से एक और, ने सुझाव दिया कि निशान संघनित पदार्थ भौतिकी के विभिन्न क्षेत्रों में लागू एक अधिक सामान्य घटना का हिस्सा हो सकते हैं। "हमें लगता है कि हम समझते हैं कि इस प्रणाली में क्या हो रहा है," हो ने कहा। "हालांकि, हमारे पास अभी भी अन्य प्रक्षेपवक्र-निशान की खोज के लिए एक सामान्यीकृत तरीका नहीं है।"

गहरा प्रश्न बना रहता है। "निशान समस्या का एक उपयोगी विवरण है," वेदिका केमनी , एक हार्वर्ड भौतिक विज्ञानी जो प्रयोग में शामिल नहीं थे। "लेकिन मुझे नहीं लगता कि हमारे पास उनकी उपस्थिति की वास्तविक समझ है।"

यादृच्छिकता में संरचना

इन सभी अज्ञात के बावजूद, कई-कण स्कारिंग भौतिकविदों के लिए बहुत रुचि रखते हैं, क्योंकि यह क्वांटम सिस्टम के एक नए वर्ग का प्रतिनिधित्व कर सकता है।

पिछले कुछ वर्षों में, भौतिकविदों ने एक और समान वर्ग, बहु-कण स्थानीयकरण का अध्ययन किया है, जिसमें यादृच्छिक दोष प्रणाली के थर्मलकरण को रोकते हैं। सादृश्य के रूप में, एक समतल क्षेत्र पर चलने वाली गायों के झुंड की कल्पना करें। गायों को अंततः अलग-अलग जगहों पर बिखरना पड़ता है - चलो इसे गाय थर्मलकरण कहते हैं। लेकिन अगर यादृच्छिक पहाड़ियों को मैदान पर मिलते हैं, तो गायें तराई में समाप्त हो जाएंगी।

इसी तरह, कई-कण क्वांटम निशान प्रणाली एक अराजक प्रणाली नहीं है जो थर्मल करना चाहती है। लेकिन इसमें पहाड़ियां भी नहीं हैं। "यह काम बीच में कहीं स्थित प्रणालियों के एक नए वर्ग के अस्तित्व की बात करता है," पपीच ने कहा।

स्कारिंग प्रभाव को समझाने के लिए, केमनी द्वारा एक नए विश्लेषण से पता चलता है कि 51-परमाणु प्रणाली एक पूर्णांक प्रणाली (या दृष्टिकोण) हो सकती है। यह कई सीमाओं और विशेषताओं के साथ एक प्रणाली का एक विशेष, पृथक मामला है जो इसके थर्मलकरण को रोकने के लिए ट्यून किया गया है। तो, यदि स्कार सिस्टम सुपाच्य है, तो यह घटना के व्यापक वर्ग में एक अनूठा मामला हो सकता है।

पैपिक ने कहा कि भौतिकविद् दशकों से पूर्णांक प्रणाली का अध्ययन कर रहे हैं, और अगर प्रणाली निकली है, तो पैपिक कहा जाता है, तो इस तथ्य के परिणाम उतने दिलचस्प नहीं होंगे जितना कि यह क्वांटम प्रणाली अद्वितीय होगी। पापीच, हो और ल्यूकिन ने इस संभावना के खिलाफ तर्क देते हुए एक पेपर लिखा।

लेकिन इस बात की परवाह किए बिना कि क्या क्वांटम व्यवहार का एक नया वर्ग निकला है, यह खोज क्वांटम कंप्यूटरों को बेहतर बनाने की आकर्षक संभावना की ओर इशारा करती है। क्वांटम कंप्यूटर बनाने में आने वाली समस्याओं में से एक इसकी नाजुक खानों की रक्षा करना है। पर्यावरण से किसी भी तरह की गड़बड़ी या गड़बड़ी उनके अंदर संग्रहीत किसी भी जानकारी को थर्मल करने और मिटाने का कारण बन सकती है, जिससे कंप्यूटर बेकार हो जाएगा। "अगर हम अन्य प्रणालियों में स्कारिंग को पेश करने का एक सामान्य तरीका पा सकते हैं, तो हम लंबे समय तक क्वांटम जानकारी की रक्षा करने में सक्षम हो सकते हैं," हो ने कहा।

स्कारिंग तब कंप्यूटर को संग्रहित डेटा पर रखने का एक तरीका दे सकता है, अतीत को थर्मलकरण के उन्मूलन की अराजकता से बचाता है।

"कुछ सुंदर संरचना है, किसी तरह पूरी तरह यादृच्छिक वातावरण में संरक्षित है," पपीच ने कहा। - क्या भौतिकी इस प्रक्रिया को काम करने की अनुमति देती है? "यह एक गहरा और बहुआयामी मुद्दा है, जो भौतिकी के कई क्षेत्रों को कवर करता है, और यह प्रभाव इसकी अभिव्यक्तियों में से एक है।"