क्वांटम प्रौद्योगिकियाँ पदार्थ के सबसे मौलिक निर्माण खंडों के असामान्य गुणों का शोषण करती हैं। वे संचार, कंप्यूटिंग, सेंसर और बहुत कुछ में सफलता का वादा करते हैं। हालाँकि, क्वांटम अवस्थाएँ नाजुक होती हैं, और उनके प्रभावों को समझना मुश्किल होता है, जिससे वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों में अनुसंधान चुनौतीपूर्ण हो जाता है। शोधकर्ताओं और उनके सहयोगियों ने अब एक सफलता हासिल की है: एक प्रकार के “क्वांटम लेगो” का उपयोग करके, वे सिंथेटिक सामग्री में एक प्रसिद्ध सैद्धांतिक क्वांटम भौतिकी मॉडल को सटीक रूप से समझने में सक्षम हुए हैं।
कंप्यूटर में सूचना की सबसे छोटी इकाई बिट है: चालू या बंद, 1 या 0। आज, दुनिया की संपूर्ण कंप्यूटिंग शक्ति अनगिनत एक और शून्य के संयोजन और अंतर्संबंध पर बनी है। क्वांटम कंप्यूटर में बिट का अपना संस्करण होता है: क्वबिट। इसकी भी दो मूल अवस्थाएँ हैं। मुख्य अंतर: क्वांटम प्रभाव दो अवस्थाओं के सुपरपोजिशन की अनुमति देता है, ताकि क्वबिट 1 या 0 न हो, बल्कि एक ही समय में दोनों हो। 0 और 1 के विभिन्न अनुपातों के साथ, क्वबिट सैद्धांतिक रूप से अनंत संख्या में स्थितियाँ ग्रहण कर सकता है।
इस अस्पष्टता से क्वांटम कंप्यूटरों को सच्ची “महाशक्तियाँ” मिलनी चाहिए। कम से कम सिद्धांत रूप में, क्वांटम-आधारित कंप्यूटर एक सेकंड के अंश में गणना कर सकते हैं जो आज के सर्वश्रेष्ठ सुपर कंप्यूटरों को पीछे छोड़ देता है। हालाँकि, क्वांटम कंप्यूटिंग अभी तक पूरी तरह से विकसित नहीं हुई है। सबसे बड़ी चुनौतियों में से एक क्वैबिट को लिंक करना है – क्योंकि एक सिंगल (क्व)बिट कंप्यूटर के लिए ज्यादा महत्वपूर्ण नहीं है।
क्वबिट के 0 और 1 को समझने का एक तरीका तथाकथित इलेक्ट्रॉन स्पिन के संरेखण के माध्यम से है। स्पिन इलेक्ट्रॉनों और अन्य कणों की एक मौलिक क्वांटम यांत्रिक संपत्ति है, एक प्रकार का टॉर्क जो, सीधे शब्दों में कहें तो, “ऊपर” (1) या “नीचे” (0) को इंगित कर सकता है। जब दो या दो से अधिक स्पिन क्वांटम-यांत्रिक रूप से जुड़े होते हैं, तो वे एक-दूसरे की स्थिति को प्रभावित करते हैं: एक का अभिविन्यास बदलें, और यह अन्य सभी के लिए भी बदल जाएगा। इसलिए यह क्विबिट्स को एक-दूसरे से “बातचीत” कराने का एक अच्छा तरीका है। हालाँकि, क्वांटम भौतिकी की तरह, यह “भाषा”, यानी स्पिन के बीच की बातचीत, बेहद जटिल है। यद्यपि इसे गणितीय रूप से वर्णित किया जा सकता है, प्रासंगिक समीकरणों को केवल कुछ स्पिनों की अपेक्षाकृत सरल श्रृंखलाओं के लिए भी सटीक रूप से हल नहीं किया जा सकता है। सिद्धांत को व्यवहार में लाने के लिए बिल्कुल सर्वोत्तम स्थितियाँ नहीं…
एम्पा की नैनोटेक @ सर्फेस प्रयोगशाला के शोधकर्ताओं ने अब एक ऐसी विधि विकसित की है जो कई स्पिनों को नियंत्रित तरीके से एक-दूसरे से “बात करने” की अनुमति देती है – और यह शोधकर्ताओं को उन्हें “सुनने” में भी सक्षम बनाती है, यानी उनकी बातचीत को समझने में। अंतर्राष्ट्रीय इबेरियन नैनोटेक्नोलॉजी प्रयोगशाला और ड्रेसडेन के तकनीकी विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों के साथ मिलकर, वे इलेक्ट्रॉन स्पिन की एक आदर्श श्रृंखला बनाने और इसके गुणों को विस्तार से मापने में सक्षम थे। उनके परिणाम अब प्रसिद्ध पत्रिका में प्रकाशित हुए हैं प्रकृति नैनोटेक्नोलॉजी.
श्रृंखला के पीछे का सिद्धांत भौतिकी के सभी छात्रों से परिचित है: स्पिन की एक रैखिक श्रृंखला लें जिसमें प्रत्येक स्पिन अपने पड़ोसियों में से एक के साथ दृढ़ता से और दूसरे के साथ कमजोर रूप से बातचीत करती है। इस तथाकथित एक-आयामी वैकल्पिक हाइजेनबर्ग मॉडल का वर्णन लगभग 100 साल पहले भौतिक विज्ञानी और बाद में नोबेल पुरस्कार विजेता वर्नर हाइजेनबर्ग, जो क्वांटम यांत्रिकी के संस्थापकों में से एक थे, द्वारा किया गया था। यद्यपि प्रकृति में ऐसी सामग्रियां हैं जिनमें ऐसी स्पिन श्रृंखलाएं होती हैं, फिर भी जानबूझकर श्रृंखलाओं को किसी सामग्री में शामिल करना संभव नहीं हो पाया है। एम्पा की nanotech@surfaces प्रयोगशाला के प्रमुख और अध्ययन के सह-लेखक रोमन फैसेल बताते हैं, “वास्तविक सामग्री हमेशा एक सैद्धांतिक मॉडल की तुलना में बहुत अधिक जटिल होती है।”
ऐसी कृत्रिम क्वांटम सामग्री बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने द्वि-आयामी कार्बन सामग्री ग्राफीन के छोटे टुकड़ों का उपयोग किया। इन नैनोग्राफीन अणुओं का आकार उनके भौतिक गुणों को प्रभावित करता है, विशेष रूप से उनके स्पिन – एक प्रकार का नैनो-आकार का क्वांटम लेगो ईंट जिससे वैज्ञानिक लंबी श्रृंखलाएं बना सकते हैं।
अपने हाइजेनबर्ग मॉडल के लिए, शोधकर्ताओं ने तथाकथित क्लार गॉब्लेट अणु का उपयोग किया। इस विशेष नैनोग्राफीन अणु में ग्यारह कार्बन के छल्ले होते हैं जो एक घंटे के चश्मे के आकार में व्यवस्थित होते हैं। इस आकार के कारण, प्रत्येक छोर पर एक अयुग्मित इलेक्ट्रॉन होता है – प्रत्येक एक संबद्ध स्पिन के साथ। हालांकि रसायनज्ञ एरिच क्लार ने 1972 में ही इसकी भविष्यवाणी कर दी थी, लेकिन क्लार गॉब्लेट का उत्पादन नैनोटेक@सर्फेस प्रयोगशाला में फैसेल की टीम द्वारा 2019 में ही किया गया था।
शोधकर्ताओं ने अब जंजीर बनाने के लिए सोने की सतह पर प्यालों को जोड़ दिया है। एक अणु के भीतर दो स्पिन कमजोर रूप से जुड़े हुए हैं, जबकि अणु से अणु तक स्पिन मजबूती से जुड़े हुए हैं – वैकल्पिक हाइजेनबर्ग श्रृंखला का एक आदर्श अहसास। शोधकर्ता श्रृंखलाओं की लंबाई में सटीक रूप से हेरफेर करने, अलग-अलग स्पिनों को चुनिंदा रूप से चालू और बंद करने और उन्हें एक राज्य से दूसरे राज्य में “फ़्लिप” करने में सक्षम थे, जिससे उन्हें इस उपन्यास क्वांटम सामग्री के जटिल भौतिकी की विस्तार से जांच करने की अनुमति मिली।
फैसेल आश्वस्त हैं कि, जिस तरह क्लार गॉब्लेट के संश्लेषण ने हाइजेनबर्ग श्रृंखलाओं के उत्पादन को सक्षम किया, उसी तरह यह अध्ययन क्वांटम अनुसंधान में नए दरवाजे खोलेगा। शोधकर्ता का कहना है, “हमने दिखाया है कि क्वांटम भौतिकी के सैद्धांतिक मॉडल को प्रयोगात्मक रूप से उनकी भविष्यवाणियों का परीक्षण करने के लिए नैनोग्राफीन के साथ महसूस किया जा सकता है।” “अन्य स्पिन कॉन्फ़िगरेशन वाले नैनोग्रैफेन को अन्य प्रकार की श्रृंखलाएं या यहां तक कि अधिक जटिल सिस्टम बनाने के लिए जोड़ा जा सकता है।” शोधकर्ता उदाहरण के आधार पर आगे बढ़ रहे हैं: एक दूसरे अध्ययन में, जो प्रकाशित होने वाला है, वे एक अलग प्रकार की हाइजेनबर्ग श्रृंखला को फिर से बनाने में सक्षम थे जिसमें सभी स्पिन समान रूप से जुड़े हुए हैं।
अनुप्रयुक्त क्वांटम भौतिकी में सबसे आगे रहने के लिए, विभिन्न विषयों के सैद्धांतिक और प्रायोगिक वैज्ञानिकों को एक साथ काम करने की आवश्यकता है। ड्रेसडेन यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी के रसायनज्ञों ने शोधकर्ताओं को क्लार गॉब्लेट्स के संश्लेषण के लिए शुरुआती अणु प्रदान किए। और पुर्तगाल में अंतर्राष्ट्रीय इबेरियन नैनोटेक्नोलॉजी प्रयोगशाला के शोधकर्ताओं ने परियोजना में अपनी सैद्धांतिक विशेषज्ञता का योगदान दिया। इस तरह की सफलताओं के लिए आवश्यक सिद्धांत (सिर्फ) वह नहीं है जो आप भौतिकी पाठ्यपुस्तकों में पाते हैं, फेसल जोर देते हैं, बल्कि क्वांटम भौतिकी मॉडल और प्रयोगात्मक माप के बीच एक परिष्कृत हस्तांतरण है।
