க்வாண்டம் இடம்-பெயர்த்தல்

This entry is part of 46 in the series 20040129_Issue

அரவிந்தன் நீலகண்டன்


அறிவியல் புனைவுகளின் பக்கங்களிலிருந்து:

புகழ் பெற்ற தொலைக்காட்சித் தொடரான ‘ஸ்டார் ட்ரெக் ‘கில் செலவை குறைக்க அந்த உக்தி உருவாக்கப்பட்டதாக கூறுவார்கள். டெலிபோர்ட்டேஷன் என்கிற ஓரிடத்திலிருந்து மற்றோரிடத்துக்கு ஒரு நபரை அனுப்புகிற விஷயம்தான் அது. அவ்வாறு அனுப்பப்படுகிற நபர் மேல் பிரிக்க இயலா துகள்களாக்கப்பட்டு ஒளியின் வேகத்தில் (அல்லது அதைவிட விரைவாக) இலக்கு நோக்கி அனுப்பி வைக்கப்படுவார். அங்கே மீண்டும் துகள்கள் ஒன்றாக ‘தோன்றுவார் ‘. அறிவியல் புனைவுகளுக்கே உரிய விஷயம் இது. ஆனால் இன்றைக்கு பலமாக நனவுலகில் அடிபடுகிற விஷயம் ‘க்வாண்டம் டெலிபோர்ட்டேஷன் ‘. இடம் விட்டு இடம் பாய்விக்கும் க்வாண்டம் தொழில்நுட்பம். ஆனால் ‘ஸ்டார் ட்ரெக் ‘கின் இரசிகர்கள் அல்லது அறிவியல் புனைவுகளின் வாசகர்கள் எதிர்பார்த்திராத விதத்தில் அது செயல்படுகிறது. மேலும் நிச்சயமாக துகளாக்கி ‘ஒளிபிம்பமாக அனுப்பும் ‘ ( ‘Beam me up scottie! ‘) விதமாக அல்ல.

க்வாண்டம் பிணைப்புறவு:

இத்தொழில்நுட்பத்தின் அறிவியல் கோட்பாட்டு வேர்கள் புகழ்பெற்ற EPR முரணிலேயே பதிந்துள்ளன. ‘தொலைவினில் ஆச்சரியமூட்டும் செயல்பாடுகள் ‘ (Spooky actions at a distance) என ஆல்பர்ட் ஐன்ஸ்டைனால் கூறப்பட்ட நடத்தைகளுக்கு காரணமான க்வாண்டம் பிணைப்புத்தன்மையின்(quantum entanglement) அடிப்படைத்தன்மைகள் இன்று இயற்பியலாளர்களால் இந்த ஆச்சரியகரமான தொழில்நுட்பத்திற்கு பயன்படுத்தப்படுகிறது. இரு அணுக்கள் அல்லது அணு உட்துகள்கள் க்வாண்டம் பிணைப்படையும் பொழுது ஒன்றின் இயற்கை மற்றொன்றுடன் ‘பிரிக்க இயலா ‘விதத்தில் ஒருங்கிணைந்து விடுகின்றன. பொதுவாக ஒரு துகளின் ஒரு குறிப்பிட்ட க்வாண்டம் இயல்புக்கு நேரெதிரான மதிப்பினை அதனுடன் க்வாண்டம் பிணைப்பு கொள்ளும் மற்றொரு துகள் பெற்றிருக்கும். உதாரணமாக ஒரு துகளின் சுழல் மதிப்பு ‘மேலா ‘னதாக இருந்தால் மற்றதன் சுழல் மதிப்பு ‘கீழா ‘க இருக்கும். இப்போது இவற்றுள் ஒரு துகளின் ஒரு க்வாண்டம் இயல்பின் மதிப்பு ‘அறிய ‘ப்படுகிறதென கொள்வோம். அப்போது அதன் மதிப்பு மாற்றமடையும் (ஹெய்ஸன்பர்க் நிச்சயமின்மை விதி). உதாரணமாக ‘மேல் ‘சுழல் கொண்ட ஒரு துகளின் மதிப்பு ‘கீழ் ‘சுழலாக மாறிவிடும். உடனடியாக -அந்த வெகு தருணத்திலேயே- இந்த துகளுடன் க்வாண்டம் பிணைப்பு கொண்ட மற்றொரு துகளின் க்வாண்டம் மதிப்பு ‘மேல் ‘சுழலாக மாறிவிடும். இதில் முக்கியமான விஷயம், இந்த துகள்கள் ஒளிவருடத் தொலைவுகளில் பிரிக்கப்பட்டிருந்தாலும் கூட, ஒரு துகளின் க்வாண்டம் இயல்பில் அறிதலால் ஏற்படும் மாற்றம், மற்றொரு துகளில் மாற்றம் ஏற்படுத்தும். ஒளியின் வேகத்தை மிஞ்சி பிரபஞ்சத்தில் எதுவும் செல்லமுடியாது (ஒளியின் வேகத்தை மிஞ்சி எந்த தொடர்பும் ஏற்படமுடியாது) எனும் ஐன்ஸ்டைனின் சிறப்பு சார்பியல் கோட்பாட்டிற்கு எதிராக இந்த க்வாண்டம் பிணைப்புச் செயல்பாடுகள் விளங்குகின்றன. ஐன்ஸ்டைனுக்கு இந்த பிணைப்புறவும் அதனால் ஏற்படும் விளைவுகளும் எப்போதுமே திருப்தி அளிக்கவில்லை. அறிவியலின் அடிப்படைத்தன்மைகளை இப்பிணைப்புறவு அழிப்பதாக அவர் உணர்ந்தார். ஆனால் சில இயற்பியலாளர்கள் இயற்கையின் இந்த நுண்ணுலக அதிசய குணத்தை, வியக்கதகு பயனளிக்கும் தொழில்நுட்பமாக மாற்ற முயன்று அதில் வெற்றி பெற்றும் வருகின்றனர். இதற்கான பிள்ளையார் சுழியை போட்டவராக IBM இன் சார்ல்ஸ் பென்னட்டை கருதலாம்(1993 இல்). இனி க்வாண்டம் டெலிபோர்ட்டேஷன் நடக்கும் விதத்தை எளிமையாக காணலாம்.

“துகளாக்கி அனுப்பு செல்வி!”

வருங்கால பாரதத்தின் வெளிக்கிரக நிலவியல் ஆராய்ச்சியாளர்களான செல்வனும் செல்வியும் க்வாண்டம் பிணைப்புறவு கொண்ட ஜோடித்துகள்களிலிருந்து ஒவ்வொன்றை எடுத்துக் கொள்கின்றனர். செல்வன் பூமியிலேயே இருக்கிறான். செல்வி சந்திரனுக்கு சென்றுவிடுகிறாள். நிலவில் ஒரு புதுவித துகளை செல்வி காண்கிறாள். அதன் அடிப்படை க்வாண்டம் தன்மைகளை அப்படியே பூமிக்கு அனுப்ப நினைக்கிறாள். அதற்காக அவள் தன்னிடமிருக்கும் க்வாண்டம் பிணைப்புறவு கொண்ட துகளுடன் இத்துகளையும் இணைத்து ஒரு அளவீடு செய்கிறாள். இந்த அளவீடு பெல் நிலை அளவீடு (Bell state measurement) என அழைக்கப்படுகிறது. இது ஒரு நுண்ணிய விளைவினை பூமியில் செல்வனின் துகளில் ஏற்படுத்துகிறது. இப்போது செல்வி ஒளியின் வேகம் மிஞ்சாது சாதாரண தகவல் தொழில்நுட்பமுறையில் தன் பெல் நிலை அளவீட்டு மதிப்பினை பூமிக்கு அனுப்புகிறாள். இம்மதிப்பின் அடிப்படையில் செல்வன் தன் துகளின் க்வாண்ட மதிப்பினை மாற்றலாம்; மாற்றாமலும் இருக்கலாம். செல்வன் செய்யும் செயல் எதுவாயினும் அதன் விளைவு, முடிவில் நிலவின் புதுவித துகளின் தன்மையை செல்வனின் துகள் அடைந்துவிடும். இந்நிலையில் இடம்பெயர வைக்கப்படுவது ஒரு பருப்பொருளல்லவே மாறாக ஒரு பருப்பொருளின் க்வாண்டம் தன்மைகளின் மதிப்பீடுகள் தானே எனும் கேள்வி எழலாம். ஆனால் இயற்பியலாளர்களை பொறுத்தவரையில் ஒரு பொருளின் நுண்நிலையில் அதன் இருப்பின் ‘வரையறை ‘யாக விழங்குவது அதன் க்வாண்டம் தன்மைகளின் மதிப்புகள்தான்.

துகள்கள் அளவில் நடத்தப்படும் இந்த ‘இடம்-பெயர்த்தலுக்கு ‘ தேவைப்படும் முக்கியமான இருவிஷயங்கள்:

1. க்வாண்டம் பிணைப்புறவு கொண்ட துகள் ஜோடிகளை உருவாக்குதல்.

2. பெல் நிலை அளவீடுகளை செய்தல்.

உலகெங்குமுள்ள முக்கிய இயற்பியல் ஆய்வகங்களில் இதற்கான முயற்சிகள் மேற்கொள்ளப்பட்டு வருகின்றன.

ஆண்டோன் ஸெய்லிங்கர்:

1997 இல் ஆஸ்திரிய இயற்பியலாளரான ஆண்டோன் ஸெய்லிங்கரும் அவரது சக ஆய்வாளர்களும் இன்ஸ்ப்ரக் பல்கலைக்கழகத்தில் க்வாண்டம் இடம் பெயர்த்தலில் முக்கியத்துவம் வாய்ந்த பரிசோதனையை நிகழ்த்தினர். இன்ஸ்ப்ரக் பரிசோதனையில் ஒரு புறஊதா லேசர் கதிர் பீட்டா பேரியம் போரேட் ஸ்படிகத்தினூடே அனுப்பப்படுகிறது. இது க்வாண்டம் பிணைப்புறவு கொண்ட ஃபோட்டான்களை உருவாக்குகிறது. இந்த ஃபோட்டான்கள் (முறையே ‘அ ‘ மற்றும் ‘ஆ ‘) செல்வியிடமும் செல்வனிடமும் செல்கின்றன. இந்த லேசர் கதிர் ஸ்படிகத்தினூடே மீள்பிரதிபலித்து மேலும் இரு ஃபோட்டான்களை உருவாக்குகிறது ( ‘இ ‘ மற்றும் ‘ஈ ‘). இவற்றுள் ஃபோட்டான் ‘ஈ ‘ ஒரு போலரைஸரின் மூலம் ஒரு குறிப்பிட்ட க்வாண்டம் நிலையில் ( ‘எ ‘) வைக்கப்படுகிறது. ‘இ ‘யின் இருப்பு பதிவு செய்யப்படுகையில் அதுவே செல்வி ‘எ ‘ நிலை அடைந்த ஃபோட்டானை அடைந்துவிட்டதற்கான உறுதி. இந்நிலையில் ‘எ ‘நிலை அடைந்த ஃபோட்டான், ஃபோட்டான் ‘அ ‘வுடன் கதிர்-கூறாக்கும் கருவியில் செல்வியால் இணைக்கப்படுகிறது. இதன் வெளியீட்டு கதிர்கள் இரு பதிவு கருவிகளிலும் பதிவுசெய்யப்படும் பட்சத்தில் (25 சதவிகித சாத்தியகூறு) செல்வி செல்வனுக்கு சாதாரண ஒளிவேக தொழில்நுட்பம்மூலம் தகவல் அனுப்புகிறாள். செல்வன் கதிர்-கூறாக்கும் கருவி மூலம் தன்னிடம் இருக்கும் ‘ஆ ‘ ஃபோட்டான் ‘எ ‘ நிலையடைந்ததை உறுதி செய்கிறான்.

[கதிர்-கூறாக்கும் கருவி:

பொதுவாக 50/50 கதிர்-கூறாக்கும் உபகரணத்தில் (Beam splitter) இரு துகள்கள் சமச்சீர்த்தன்மையுடன் (symmetrically) வீழ்கின்றன எனில் அவை ஒரே பாதையில் அல்லது வெவ்வேறு பாதைகளில் பிரதிபலிக்கப்படலாம். பொதுவாக போஸான்கள் (உதாரணமாக சுழல் க்வாண்டம் தன்மையை முழு எண்ணாக கொண்ட ஃபோட்டான்கள்) ஒரே பாதையிலும், பெர்மியான்கள் (உதாரணமாக சுழல் க்வாண்டம் தன்மையை பின்ன எண்ணாக கொண்ட எலக்ட்ரான்கள்) வெவ்வேறுபாதையிலும் செல்லும். க்வாண்டம் பிணைப்புறவு கொண்ட ஃபோட்டோன்களோவெனில் இருகூறு பாதைகளில் செல்லும். (பார்க்க படம்)]

1998 இல் அமெரிக்கா டென்மார்க் மற்றும் இங்கிலாந்தினைச் சார்ந்த இயற்பியலாளர்கள் ஃபோட்டான் துகள்கள் என்றில்லாமல் முழு லேசர் கதிரின் க்வாண்டம் தன்மையை க்வாண்டம் பிணைப்புறவு மூலம் கடத்த முடிந்தது.

திபங்கர் ஹோம் & சுகாதோ போஸ்:

பொதுவாக க்வாண்டம் பிணைப்புறவு கொண்ட அணுக்கள், மின்னணுக்கள் மற்றும் ஒளித்துகள்கள் (ஃபோட்டான்கள்) ஆகியவற்றிற்கு க்வாண்டம் பிணைப்புறவு உருவாக்க வெவ்வேறு முறைகள் கையாளப்பட்டு வருகின்றன. உதாரணமாக ஃபோட்டான்களை பீட்டா பேரியம் போரேட் ஸ்படிகத்தில் ஊடுருவவிடுவதன் மூலம் பிணைப்புறவு கொண்ட ஃபோட்டான்கள் உருவாக்கப்படுகின்றன. அணுக்களுக்கும் மின்னணுக்களுக்கும் வேறுவித தொழில்நுட்பங்கள் (Optical trap) கையாளப்படுகின்றன. இந்நிலையில் பாரதத்தின் போஸ் ஆராய்ச்சி மையத்தை சார்ந்த திபங்கர் ஹோமும் சக ஆய்வாளரும் ஒரு பொது தொழில்நுட்பத்தினால் இத்துகள்கள் அனைத்திற்கும் க்வாண்டம் பிணைப்புறவினை ஏற்படுத்தலாம் என நிறுவியுள்ளனர். இம்முறையின் மற்றொரு முக்கியத்துவம் முன்னால் எவ்வித பிணைப்புமற்ற இருவேறு மூலங்களிலிருந்து கிடைக்கும் இரு துகள்களை க்வாண்டம் பிணைப்புறவு கொள்ள செய்யமுடியும் என்பது. இம்முறைமையில் கதிர்-கூறாக்கலுடன் கூடவே ஃபோட்டான்கள் எவ்வழி செல்லும் என்பதும் கூடவே கணிக்கப்படுகிறது. கதிரின் இருவெளிப்புற திசைகளில் வைக்கும் கண்காணிப்பு கருவிகளும் ஃபோட்டான்களை

பதிவு செய்யும் பட்சத்தில் அவை க்வாண்டம் பிணைப்புறவு கொண்டவை என அறிந்து கொள்ளலாம். இந்நிலையில் திபங்கர் ஹோம் மற்றும் சக ஆய்வாளாரான சுகாதோ போஸ் (2002) ஒரே வெளிச்செலும் பாதையில் துகள்கள் வரும் பட்சத்தில் அவற்றை மீண்டும் உட்செலுத்தும் வளையத்தன்மையை (feedback loop) கதிர்-கூறாக்கும் கருவியில் புகுத்தினர்.இம்மீள்-செயலாக்கம் மீண்டும் மீண்டும் துகள்கள் இருபாதைகளில் செல்லும் வரை நிகழும் – அதாவது துகள்கள் க்வாண்டம் பிணைப்புறவு அடையும் வரை (படம்). இம்முறை ஃபோட்டான்களின் க்வாண்டம் நிலை என்பது மாத்திரம் அல்லாது மேலும் பெரிய அளவில் (அணுக்கள்,மூலக்கூறுகள் என) வழி வகுக்கலாம் என கருதுகிறார் ஆண்டோன் ஸெய்லிங்கர்.

தூய இயற்பியல் தேடலுக்கு வெளியே இத்தொழில் நுட்பம் பயன்படும் முக்கியமான புலம் இன்னமும் முழுமையடையாத க்வாண்டம் கணினிகளை உருவாக்குதலாகும்.

மேலதிக விவரங்களுக்கு:

‘Quantum Teleportation ‘ – by Anton Zeilinger Scientific American ஏப்ரல் 2000.

Sougato Bose & Dipankar Home, ‘Generic entangling through quantum indistinguishability ‘, Pramana Vol 59. No.2 ஆகஸ்ட் 2002.

New Scientist Online News 19:00 06 பிப்ரவரி 2002

www.newscientist.com/hottopics/quantum/quantum.jsp ?id=ns99991888

www.physicsweb.org

Series Navigation