کے لیے نئے امکانات کھولنا کوانٹم سینسرجوہری گھڑیاں اور بنیادی طبیعیات کے ٹیسٹ، JILA کے محققین نے بڑی تعداد میں ذرات کی خصوصیات کو "الجھانے" یا آپس میں جوڑنے کے نئے طریقے تیار کیے ہیں۔ اس عمل میں، انہوں نے ایٹموں کے بڑے گروپوں کو زیادہ درست طریقے سے ناپنے کے طریقے وضع کیے ہیں یہاں تک کہ خلل ڈالنے والے، شور والے ماحول میں بھی۔
اعلیٰ درستگی والی ایٹم گھڑیاں، جیسا کہ یہاں دکھایا گیا "چمٹی والی گھڑی"، ایٹموں کو ایک نئے طریقے سے جوڑنے یا "الجھانے" کے نتیجے میں "اسپن نچوڑ" کے طور پر جانا جاتا ہے، جس میں ایٹم کی ایک خاصیت کو زیادہ درست طریقے سے ماپا جاتا ہے۔ کوانٹم میکینکس میں عام طور پر اس درستگی کو کم کرکے اجازت دی جاتی ہے جس میں ایک تکمیلی خاصیت کی پیمائش کی جاتی ہے۔ تصویری کریڈٹ: ایس بروز/جیلا
میں شائع ہونے والے کاغذات کے ایک جوڑے میں نئی تکنیکوں کو بیان کیا گیا ہے۔ فطرت، قدرت. JILA نیشنل انسٹی ٹیوٹ آف اسٹینڈرڈز اینڈ ٹیکنالوجی (NIST) اور یونیورسٹی آف کولوراڈو بولڈر کا مشترکہ ادارہ ہے۔
ایک نظریاتی طبیعیات دان اور JILA اور NIST فیلو، انا ماریا رے نے کہا، "الجھنا پیمائش کی سائنس کا مقدس پتھر ہے۔"
"ایٹم اب تک کے بہترین سینسر ہیں۔ وہ عالمگیر ہیں۔ مسئلہ یہ ہے کہ وہ کوانٹم آبجیکٹ ہیں، اس لیے وہ اندرونی طور پر شور مچا رہے ہیں۔ جب آپ ان کی پیمائش کرتے ہیں، تو کبھی وہ ایک توانائی کی حالت میں ہوتے ہیں، کبھی کبھی وہ دوسری حالت میں ہوتے ہیں۔ جب آپ انہیں الجھائیں گے، تو آپ شور کو منسوخ کرنے کا انتظام کر سکتے ہیں۔"
جب ایٹم الجھ جاتے ہیں، تو ایک ایٹم کے ساتھ جو کچھ ہوتا ہے وہ اس میں الجھے ہوئے تمام ایٹموں کو متاثر کرتا ہے۔ درجنوں - ابھی تک بہتر، سینکڑوں - الجھے ہوئے ایٹموں کا ایک ساتھ کام کرنا شور کو کم کرتا ہے، اور پیمائش سے سگنل واضح، زیادہ یقینی ہو جاتا ہے۔ الجھے ہوئے ایٹم سائنسدانوں کو اپنی پیمائش چلانے کی ضرورت کی تعداد کو بھی کم کرتے ہیں، جس سے کم وقت میں نتائج حاصل ہوتے ہیں۔
اسپنٹرونکس - فنکارانہ تصور۔ تصویری کریڈٹ: Creativity103 بذریعہ فلکر، 2.0 کے ذریعہ سی سی
الجھن کا ایک ذریعہ ایک عمل کے ساتھ ہے جسے اسپن نچوڑ کہا جاتا ہے۔ تمام اشیاء کی طرح جو کوانٹم فزکس کے اصولوں کی پابندی کرتے ہیں، ایٹم ایک ساتھ متعدد توانائی کی حالتوں میں موجود ہو سکتے ہیں، ایک قابلیت جسے سپرپوزیشن کہا جاتا ہے۔ اسپن نچوڑنا ایٹم میں ان تمام ممکنہ سپرپوزیشن حالتوں کو صرف چند امکانات تک کم کر دیتا ہے۔ یہ غبارے کو نچوڑنے کی طرح ہے۔
جب آپ غبارے کو نچوڑتے ہیں تو درمیانی حصہ سکڑ جاتا ہے اور مخالف سرے بڑے ہو جاتے ہیں۔ جب ایٹموں کو گھمایا جاتا ہے تو، ممکنہ حالتوں کی رینج وہ کچھ سمتوں میں تنگ اور دوسروں میں پھیل سکتی ہے۔
لیکن ان ایٹموں کو الجھانا مشکل ہے جو ایک دوسرے سے بہت دور ہیں۔ جوہری ان کے قریب ترین ایٹموں کے ساتھ مضبوط تعامل رکھتے ہیں۔ ایٹم جتنے دور ہوں گے، ان کے باہمی تعاملات اتنے ہی کمزور ہوں گے۔
کوانٹم فزکس، ایکسائٹنز کا سمندر - فنکارانہ تشریح۔ تصویری کریڈٹ: سگمنڈ بذریعہ Unsplash، مفت لائسنس
اس کے بارے میں ایسے سوچیں جیسے لوگ بھری ہوئی پارٹی میں بات کرتے ہیں۔ ایک دوسرے کے قریب ترین لوگ بات چیت کر سکتے ہیں، لیکن کمرے میں موجود لوگ انہیں بمشکل سن سکتے ہیں، اور معلومات لائن سے نیچے جاتی ہیں۔ سائنس دان چاہتے ہیں کہ ایٹموں کی پوری جماعت ایک ہی وقت میں ایک دوسرے سے بات کریں۔ دنیا بھر کے طبیعیات دان اس الجھن کو حاصل کرنے کے لیے مختلف طریقے تلاش کر رہے ہیں۔
ایک ماہر طبیعیات اور JILA فیلو ایڈم کافمین نے کہا، "کمیونٹی میں ایک بڑا مقصد الجھی ہوئی ریاستوں کو پیدا کرنا ہے تاکہ کم وقت میں اعلیٰ درست پیمائش حاصل کی جا سکے۔"
کاف مین اور رے نے اس الجھن کو حاصل کرنے کے لیے تجاویز پر مل کر کام کیا، جن میں سے ایک آسٹریا کی یونیورسٹی آف انسبرک میں رے اور اس کے ساتھیوں نے مظاہرہ کیا۔
اس تجربے میں، ٹیم نے 51 کیلشیم آئنوں کو ایک جال میں باندھا اور ان کے درمیان تعامل پیدا کرنے کے لیے لیزر کا استعمال کیا۔ اس کی وجہ یہ ہے کہ لیزر فونون کو اکساتا ہے، ایٹموں کے درمیان صوتی لہروں کی طرح کمپن۔
وہ فونون ایٹموں کی لکیر کو نیچے پھیلاتے ہیں، انہیں آپس میں جوڑتے ہیں۔ پہلے کے تجربات میں، یہ روابط جامد ہونے کے لیے بنائے گئے تھے، اس لیے آئن صرف آئنوں کے مخصوص سیٹ سے بات کر سکتا ہے جب لیزرز کے ذریعے روشن کیا جائے۔
کوانٹم سٹیٹس، کوانٹم فزکس - فنکارانہ تشریح۔ تصویری کریڈٹ: بین وِکس بذریعہ Unsplash، مفت لائسنس
بیرونی مقناطیسی شعبوں کو شامل کرنے سے، روابط کو متحرک، بڑھتا اور وقت کے ساتھ تبدیل کرنا ممکن تھا۔ اس کا مطلب یہ تھا کہ ایک آئن جو پہلے آئنوں کے صرف ایک گروپ سے بات کر سکتا تھا ایک مختلف گروپ سے بات کر سکتا تھا، اور آخر کار، یہ صف میں موجود دیگر تمام آئنوں سے بات کرنے کے قابل ہو گیا۔
رے کا کہنا ہے کہ یہ اس فاصلے کے مسئلے پر قابو پاتا ہے، اور بات چیت ایٹموں کی لکیر کے نیچے پوری طرح مضبوط تھی۔ اب تمام ایٹم ایک ساتھ کام کر رہے تھے، اور وہ سب راستے میں پیغام کھوئے بغیر ایک دوسرے سے بات کر سکتے تھے۔
تھوڑے ہی عرصے میں، آئن الجھ گئے، ایک گھماؤ والی حالت بنا، لیکن کچھ اور وقت کے ساتھ، وہ بلی کی حالت میں تبدیل ہو گئے۔ اس ریاست کا نام ارون شروڈنگر کے سپرپوزیشن کے بارے میں مشہور فکری تجربے کے لیے رکھا گیا ہے، جس میں انہوں نے تجویز پیش کی کہ ایک ڈبے میں پھنسی بلی زندہ بھی ہے اور مردہ بھی جب تک باکس کھولا نہ جائے اور اس کی حالت دیکھی جا سکے۔
ایٹموں کے لیے، بلی کی حالت ایک خاص قسم کی سپر پوزیشن ہے جس میں ایٹم ایک ہی وقت میں اوپر اور نیچے کی طرح دو متضاد حالتوں میں ہوتے ہیں۔ بلی کی حالتیں بہت زیادہ الجھی ہوئی ہیں، رے بتاتے ہیں، انہیں پیمائش کی سائنس کے لیے خاص طور پر بہترین بناتی ہے۔
اگلا مرحلہ یہ ہوگا کہ ایٹموں کی دو جہتی صف کے ساتھ اس تکنیک کو آزمایا جائے، ایٹموں کی تعداد میں اضافہ کیا جائے تاکہ وہ ان الجھی ہوئی حالتوں میں کتنی دیر تک رہ سکیں۔ مزید برآں، یہ ممکنہ طور پر سائنسدانوں کو پیمائش کو زیادہ درست اور تیز تر کرنے دے سکتا ہے۔
اسپن کو نچوڑنے سے الجھنے سے آپٹیکل اٹامک گھڑیوں کو بھی فائدہ پہنچ سکتا ہے، جو کہ پیمائش کا ایک اہم سائنس کا آلہ ہے۔ JILA میں کافمین اور اس کے گروپ نے، NIST/JILA کے ساتھی Jun Ye’s گروپ کے ساتھیوں کے ساتھ، ایک مختلف طریقہ کا تجربہ کیا۔ اس مسئلے میں ایک اور مطالعہ فطرت، قدرت.
محققین نے 140 سٹرونٹیم ایٹموں کو ایک نظری جالی میں لوڈ کیا، جوہریوں کو رکھنے کے لیے روشنی کا ایک واحد طیارہ تھا۔ انہوں نے روشنی کے باریک کنٹرول شدہ شہتیروں کا استعمال کیا، جسے آپٹیکل ٹوئیزر کہا جاتا ہے، جوہری کو 16 سے 70 ایٹموں کے چھوٹے ذیلی گروپوں میں رکھنے کے لیے۔
ایک ہائی پاور الٹرا وائلٹ لیزر کے ساتھ، انہوں نے ایٹموں کو اپنی معمول کی "گھڑی" کی حالت اور ایک اعلی توانائی والی رائڈبرگ حالت میں پرجوش کیا۔ اس تکنیک کو رائڈبرگ ڈریسنگ کہا جاتا ہے۔
گھڑی کی حالت کے ایٹم بھیڑ پارٹی میں خاموش لوگوں کی طرح ہیں۔ وہ دوسروں کے ساتھ مضبوطی سے تعامل نہیں کرتے ہیں۔ لیکن Rydberg ریاست میں ایٹموں کے لیے، سب سے باہر کا الیکٹران ایٹم کے مرکز سے اتنا دور ہے کہ ایٹم مؤثر طریقے سے سائز میں بہت بڑا ہے، جو اسے دوسرے ایٹموں کے ساتھ زیادہ مضبوطی سے بات چیت کرنے کے قابل بناتا ہے۔
اب پوری پارٹی بول رہی ہے۔ اس گھماؤ نچوڑنے والی تکنیک کے ساتھ، وہ 70 ایٹموں کی پوری صف میں الجھن پیدا کر سکتے ہیں۔
محققین نے 70 ایٹم گروپوں کے درمیان تعدد کی پیمائش کا موازنہ کیا اور پایا کہ اس الجھن نے غیر الجھے ہوئے ذرات کی حد سے نیچے درستگی کو بہتر بنایا، جسے معیاری کوانٹم حد کہا جاتا ہے۔
تیز، زیادہ درست پیمائش ان گھڑیوں کو تاریک مادے کی تلاش اور بہتر وقت اور تعدد کی پیمائش کرنے کے لیے بہتر سینسر بننے کی اجازت دے گی۔
کاغذات:
جوہانس فرینکے، شان آر ملیڈی، رافیل کابروگر، فلورین کرینزل، رینر بلاٹ، اینا ماریا ری، منوج کے جوشی اور کرسچن ایف روز۔ محدود رینج کے تعاملات کے ذریعے آپٹیکل ٹرانزیشن پر کوانٹم بڑھا ہوا سینسنگ۔ فطرت 30 اگست 2023۔ DOI: 10.1038 / S41586-023-06472-Z
William J. Eckner، Nelson Darkwah Oppong، Alec Cao، Aaron W. Young، William R. Milner، John M. Robinson، Jun Ye اور Adam M. Kaufman۔ آپٹیکل کلاک میں رائڈبرگ کے تعاملات کے ساتھ اسپن کو نچوڑنا۔ فطرت 30 اگست 2023۔ DOI: 10.1038/s41586-023-06360-6
ماخذ: NIST
