क्वांटम घड़ी – हमारे लिए समय एक स्थिर, निरंतर आगे बढ़ने वाला समय है। दीवार पर घड़ी की टिक-टिक, डिजिटल डिस्प्ले पर सेकंडों का स्थिर चलना – ये ऐसी परिचित अवधारणाएँ हैं कि हम शायद ही कभी उन भौतिक प्रक्रियाओं पर विचार करने के लिए रुकते हैं जो उन्हें रेखांकित करती हैं।

इसके मूल में, कोई भी घड़ी एक भौतिक प्रणाली है जो पूर्वानुमानित तरीके से विकसित होती है, जो समय बीतने का रिकॉर्ड बनाती है। वैज्ञानिक अब यह पता लगा रहे हैं कि क्वांटम क्षेत्र में सबसे छोटे संभावित पैमाने पर टाइमकीपिंग का क्या मतलब है, और उनके निष्कर्ष यह पता लगा सकते हैं कि भौतिक विज्ञानी टाइमकीपिंग में माप की भूमिका के बारे में कैसे सोचते हैं।

ऑस्ट्रिया, इटली, आयरलैंड, स्विट्जरलैंड और यूके के शोधकर्ताओं द्वारा 14 नवंबर को फिजिकल रिव्यू लेटर्स में प्रकाशित एक अध्ययन ने क्वांटम घड़ी का निर्माण और विश्लेषण करके इस दुनिया में गहराई से प्रवेश किया। शोधकर्ताओं ने अपने पेपर में एक आश्चर्यजनक जानकारी दी: कि समय पढ़ने के लिए बस घड़ी को देखने की ऊर्जा लागत घड़ी को टिक-टिक करने के लिए आवश्यक ऊर्जा से अधिक हो सकती है। यह खोज, यदि यह अधिक शोध में सामने आती है, तो इसके महत्वपूर्ण निहितार्थ हो सकते हैं – ऑप्टिकल घड़ियों जैसे उपकरणों के साथ अल्ट्रा-सटीक टाइमकीपिंग के भविष्य के साथ-साथ क्वांटम प्रौद्योगिकियों के विकास और वैज्ञानिकों की उन कानूनों की समझ के लिए जो ब्रह्मांड को सबसे मौलिक रूप से नियंत्रित करते हैं।

टूटा हुआ शीशा शोधकर्ताओं की प्रेरणा को समझने के लिए सबसे पहले भौतिकी की एक महत्वपूर्ण अवधारणा जिसे एन्ट्रापी कहा जाता है, की सराहना की आवश्यकता होती है। इसे अक्सर बोलचाल की भाषा में विकार के माप के रूप में वर्णित किया जाता है।

औपचारिक शब्दों में, एन्ट्रॉपी थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम से जुड़ा हुआ है, जो बताता है कि एक पृथक प्रणाली में, एन्ट्रॉपी हमेशा बढ़ती रहती है। यह निरंतर वृद्धि ही समय को उसका तीर, उसके विकास की दिशा देती है। उदाहरण के लिए, कांच के टूटे हुए शीशे में बरकरार शीशे की तुलना में अधिक एन्ट्रापी होती है, और हम कभी भी टुकड़ों को अनायास दोबारा जुड़ते हुए नहीं देख पाएंगे।

यह अपरिवर्तनीय प्रक्रियाओं का सिद्धांत है जो एक घड़ी को अतीत का एक स्थायी रिकॉर्ड बनाने की अनुमति देता है, जो इसे भविष्य से अलग करता है। सभी व्यावहारिक उद्देश्यों के लिए, घड़ी का काउंटर हमेशा बढ़ता है, जो हमारे रोजमर्रा के अनुभव के अनुरूप है कि घड़ियाँ हमेशा ‘आगे’ टिक करती हैं। हमारे रोजमर्रा के जीवन के स्थूल पैमाने पर, यह सीधा है।

पेंडुलम का हिलना या क्वार्ट्ज क्रिस्टल का कंपन ऐसी प्रक्रियाएं हैं जो ऊर्जा की खपत करती हैं और एन्ट्रापी उत्पन्न करती हैं, जिससे घड़ी की सूइयां आगे बढ़ती हैं। लेकिन क्वांटम दुनिया में चीजें इतनी सरल नहीं हैं। क्वांटम सिस्टम संभावनाओं से संचालित होते हैं और अजीब व्यवहार प्रदर्शित कर सकते हैं।

क्वांटम प्रक्रियाओं द्वारा उत्पादित एन्ट्रापी की मात्रा आम तौर पर शास्त्रीय प्रक्रियाओं की तुलना में कम परिमाण की होती है। इससे ऐसी स्थितियाँ पैदा हो सकती हैं, जहाँ यादृच्छिक उतार-चढ़ाव के कारण, क्वांटम घड़ी कुछ समय के लिए ‘पिछड़ी’ टिक सकती है।

यह एक वैचारिक तनाव प्रस्तुत करता है। एक घड़ी, अपनी परिभाषा के अनुसार, एक अपरिवर्तनीय उपकरण होनी चाहिए जो विश्वसनीय रूप से अतीत को भविष्य से अलग करती है।

एक क्वांटम प्रणाली, अपनी अंतर्निहित यादृच्छिकता और पिछड़े कदमों की क्षमता के साथ, एक सच्ची घड़ी के रूप में कैसे कार्य कर सकती है? क्वांटम घड़ी की टिक्स नए अध्ययन के लेखकों ने परिकल्पना की कि समाधान केवल घड़ी के आंतरिक तंत्र, या इसकी घड़ी की कलिका में नहीं, बल्कि माप की प्रक्रिया में ही निहित है। उन्होंने प्रस्तावित किया कि क्वांटम प्रणाली से जानकारी निकालने का कार्य – i. ई.

एक शास्त्रीय, पठनीय रिकॉर्ड बनाने के लिए टिकों का अवलोकन करना – एन्ट्रापी भी उत्पन्न करना चाहिए। टीम ने अनुमान लगाया कि यह ‘अवलोकन की लागत’ गायब टुकड़ा हो सकता है जो समय के आगे के प्रवाह को लागू करता है, भले ही क्वांटम क्लॉकवर्क स्वयं स्थिर हो।

नए अध्ययन की प्रेरणा इस विचार का प्रयोगात्मक परीक्षण करना था। टीम का लक्ष्य एक क्वांटम घड़ी बनाना था जहां वे आंतरिक घड़ी तंत्र द्वारा उत्पादित एन्ट्रॉपी और माप उपकरण द्वारा उत्पादित एन्ट्रॉपी को अलग से माप सकें। इससे शोधकर्ताओं को इन दोनों लागतों की सीधे तुलना करने और यह निर्धारित करने की अनुमति मिलेगी कि क्वांटम पैमाने पर टाइमकीपिंग की प्रक्रिया के लिए कौन सा अधिक मौलिक है।

ऐसा प्रयोग सूक्ष्म घड़ी तंत्र और इसके स्थूल माप उपकरण द्वारा उत्पादित एन्ट्रॉपी के बीच अंतरसंबंध का पता लगाने वाला पहला प्रयोग होगा। अपनी क्वांटम घड़ी को साकार करने के लिए, वैज्ञानिकों ने डबल क्वांटम डॉट (DQD) नामक एक उपकरण का उपयोग किया। एक अर्धचालक पदार्थ में मानव निर्मित दो छोटे द्वीपों की कल्पना करें, जो इतने छोटे हैं कि वे एक समय में केवल एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन ही रख सकते हैं।

ये क्वांटम बिंदु हैं. (उनके आविष्कारकों को 2023 में रसायन विज्ञान के लिए नोबेल पुरस्कार से पुरस्कृत किया गया था।

) सटीक वोल्टेज लागू करके, शोधकर्ता एक इलेक्ट्रॉन की गति को नियंत्रित कर सकते हैं, जिससे यह एक स्रोत से पहले बिंदु पर, फिर दूसरे बिंदु पर, और अंत में एक नाली में सुरंग बना सकता है। (एक बड़े सर्किट में क्वांटम टनलिंग के प्रदर्शन ने 2025 में भौतिकी के लिए नोबेल पुरस्कार जीता।) एक इलेक्ट्रॉन के इस अनुक्रमिक आंदोलन ने टीम की घड़ी की एकल टिक का गठन किया।

समय पढ़ना DQD की स्थिति तीन विन्यासों में से एक में हो सकती है: किसी भी बिंदु पर कोई अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन नहीं (जिसे हम राज्य 0 कहेंगे), बाएं बिंदु पर एक इलेक्ट्रॉन (राज्य एल) या दाएं बिंदु पर एक इलेक्ट्रॉन (राज्य आर)। फॉरवर्ड टिक एक पूर्ण चक्र है, उदाहरण के लिए 0 से L से R⟩ तक और वापस 0 तक, क्योंकि इलेक्ट्रॉन बिंदुओं को पार करता है। समय को ‘पढ़ने’ के लिए, शोधकर्ताओं को यह जानना आवश्यक था कि किसी भी समय DQD किस स्थिति में था।

उन्होंने पास के चार्ज सेंसर का उपयोग करके इसे पूरा किया – जो एक अन्य क्वांटम डॉट था जिसके विद्युत गुण DQD में इलेक्ट्रॉन के स्थान के प्रति संवेदनशील थे। इस सेंसर के माध्यम से प्रवाहित होने वाली धारा को मापकर, वे यह अनुमान लगा सकते हैं कि DQD राज्य 0, L या R में है या नहीं। हालाँकि, यह माप प्रक्रिया मुफ़्त नहीं थी: इसके लिए ऊर्जा की आवश्यकता होती थी और इसलिए एन्ट्रापी उत्पन्न होती थी।

टीम ने सेंसर को पढ़ने के लिए दो अलग-अलग तरीकों का इस्तेमाल किया: एक डायरेक्ट-करंट (डीसी) माप और एक अधिक परिष्कृत रेडियो-फ्रीक्वेंसी (आरएफ) रिफ्लेक्टोमेट्री तकनीक। इससे उन्हें अवलोकन के कार्य से ही नष्ट हुई शक्ति और इस प्रकार उत्पन्न एन्ट्रापी को अलग-अलग करने और सटीक रूप से मापने की अनुमति मिली। डीक्यूडी में वोल्टेज को एक साथ नियंत्रित करके, जो घड़ी की टिक-टिक द्वारा नष्ट होने वाली ऊर्जा को निर्धारित करता था, वे स्वतंत्र रूप से घड़ी की कल और ‘समय पढ़ने’ दोनों की थर्मोडायनामिक लागत का अध्ययन कर सकते थे।

अपरिवर्तनीयता का स्रोत प्रयोग के परिणाम आश्चर्यजनक लगे। शोधकर्ताओं ने सबसे पहले घड़ी की सटीकता और उसके आंतरिक कामकाज से उत्पन्न एन्ट्रापी के बीच संबंध की जांच की।

ई. डीक्यूडी. जैसा कि थर्मोडायनामिक सिद्धांतों द्वारा भविष्यवाणी की गई थी, उन्होंने पाया कि अधिक सटीक घड़ी – अधिक नियमित और आगे बढ़ने वाली टिक वाली – को अधिक एन्ट्रापी की आवश्यकता होती है।

जब डीक्यूडी को संतुलन में लाया गया, जहां आगे और पीछे की टिक समान रूप से होने की संभावना थी, क्लॉकवर्क ने कोई शुद्ध एन्ट्रापी उत्पन्न नहीं की, और समय बीतने को रिकॉर्ड करने की इसकी क्षमता गायब हो गई। हालाँकि, शोधकर्ताओं का अधिक उल्लेखनीय दावा तब सामने आया जब उन्होंने माप प्रक्रिया की एन्ट्रापी लागत का विश्लेषण किया। उन्होंने पाया कि क्वांटम घड़ी से शास्त्रीय टिक निकालने की एन्ट्रोपिक लागत परिमाण के आश्चर्यजनक नौ आदेशों द्वारा प्रमुख कारक थी।

दूसरे शब्दों में, ऊर्जा केवल यह पता लगाने के लिए खर्च की गई कि किस समय घड़ी को चलाने के लिए आवश्यक ऊर्जा एक अरब के कारक से कम हो गई थी। टीम ने यह भी दिखाया कि माप प्रक्रिया उस जानकारी को प्रभावी ढंग से पुनः प्राप्त कर सकती है जो डिवाइस को एक घड़ी बनाती है।

ऐसा इसलिए था क्योंकि जब आंतरिक घड़ी तंत्र संतुलन पर था, तब भी। ई.

बिना किसी एन्ट्रापी के उत्पादन करते हुए, DQD की लगातार निगरानी करने के कार्य ने इसके राज्य परिवर्तनों का एक अपरिवर्तनीय, शास्त्रीय रिकॉर्ड बनाया। माप उपकरण द्वारा एक महत्वपूर्ण एन्ट्रोपिक लागत पर उत्पन्न इस रिकॉर्ड ने शोधकर्ताओं को समय बीतने का अनुमान लगाने की अनुमति दी।

निश्चित रूप से, आपके घर में भी, दीवार पर लगे उपकरण से समय पढ़ने से आपको समय की जानकारी मिलती है जिससे उपकरण की पहचान ‘घड़ी’ भी हो जाती है। लेकिन यहां क्वांटम घड़ी के बारे में अनोखी बात है: टीम ने अपने परिणामों को सबूत के रूप में व्याख्या की कि डीक्यूडी घड़ी में, टाइमकीपिंग के लिए आवश्यक अपरिवर्तनीयता का प्रमुख स्रोत अवलोकन के कार्य से आता है, न कि घड़ी की कल से! ये निष्कर्ष 2023 में एक अलग समूह द्वारा रिपोर्ट की गई बातों को भी पुष्ट करते हैं: कि ‘घड़ी को पढ़ना’ क्वांटम टाइमकीपिंग में एक आक्रामक प्रक्रिया है जिसे हल्के में नहीं लिया जा सकता है।

नया अध्ययन 2023 के अध्ययन में रिपोर्ट की गई सटीकता की समझ को जटिल और गहरा करता है, यह दर्शाता है कि माप का प्रभाव अखंड नहीं है। ‘घड़ी को बार-बार पढ़ना बेहतर है’ के बजाय, नया अध्ययन एक अधिक जटिल वास्तविकता की रिपोर्ट करता प्रतीत होता है: माप शक्ति और सटीकता के बीच संबंध घड़ी की कल पर निर्भर करता है। टाइमकीपिंग का भौतिकी अध्ययन के निहितार्थ दूरगामी हो सकते हैं, मौलिक भौतिकी, मेट्रोलॉजी (माप का विज्ञान) और क्वांटम कंप्यूटिंग के भविष्य को छू सकते हैं।

शायद सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि यह सुझाव देता है कि क्वांटम प्रणाली और उसके शास्त्रीय माप उपकरण के बीच अक्सर नजरअंदाज की जाने वाली बातचीत सिर्फ एक तकनीकी विवरण नहीं है: यह इसमें शामिल भौतिकी का एक केंद्रीय हिस्सा है। घड़ी की टिकों के प्रवर्धन और माप से उत्पन्न एन्ट्रापी क्वांटम पैमाने पर टाइमकीपिंग की सबसे महत्वपूर्ण और मौलिक थर्मोडायनामिक लागत है। कम से कम एक निहितार्थ संभावित रूप से व्यावहारिक है: वर्तमान परमाणु घड़ियाँ – जो अस्तित्व में सबसे सटीक टाइमकीपिंग उपकरणों में से कुछ हैं – को अधिक थर्मोडायनामिक रूप से कुशल माप प्रणालियों को डिजाइन करके बेहतर बनाया जा सकता है।

अर्थात्, अवलोकन की एन्ट्रापी लागत को कम करके, ऐसी घड़ियाँ बनाना संभव हो सकता है जो और भी अधिक सटीक हों। नए अध्ययन में जिन सिद्धांतों का पता लगाया गया है, वे भी घड़ियों तक ही सीमित नहीं हैं।

कोई भी क्वांटम कंप्यूटर क्वांटम अवस्थाओं को सटीक रूप से नियंत्रित और मापने में सक्षम होने पर निर्भर करेगा। क्वांटम सिस्टम से जानकारी निकालने से जुड़ी थर्मोडायनामिक लागत को समझना इंजीनियरों के लिए कुशल और स्केलेबल क्वांटम मशीनें डिजाइन करने के लिए महत्वपूर्ण है।

लेखकों का दृष्टिकोण क्वांटम माप की ऊर्जा लागत पर काम की एक विस्तृत श्रृंखला पर आधारित है, जो अंततः यह बता सकता है कि इंजीनियर क्वांटम कंप्यूटर कैसे डिज़ाइन करते हैं। अंत में, कुछ भौतिक विज्ञानी ऐसे परिणामों की व्याख्या करते हुए कहते हैं कि समय का स्पष्ट, यूनिडायरेक्शनल प्रवाह जो हम अनुभव करते हैं, वह पूरी तरह से सूक्ष्म दुनिया की संपत्ति नहीं हो सकता है। इसके बजाय, यह एक ऐसी सुविधा हो सकती है जो मैक्रोस्कोपिक पैमाने पर जानकारी निकालने और रिकॉर्ड करने की प्रक्रिया से नए सिरे से उभरती है।

शास्त्रीय कहावत में, देखा हुआ बर्तन कभी नहीं उबलता। इन क्वांटम घड़ी प्रयोगों में, बर्तन निश्चित रूप से उबलता है, लेकिन इसके बुलबुले को एक विश्वसनीय स्टॉपवॉच में बदलना महंगा साबित होता है।