क्वांटम प्रौद्योगिकियाँ: अतिचालन प्रक्रियाओं में नई अंतर्दृष्टि

क्वांटम कंप्यूटर का विकास करना, जो उन समस्याओं को हल कर सके जिन्हें क्लासिकल कंप्यूटर या तो बहुत अधिक प्रयास से हल कर पाते हैं या बिल्कुल भी नहीं—यह वह लक्ष्य है जिसे वर्तमान में दुनिया भर में बढ़ती संख्या में शोध दल हासिल करने का प्रयास कर रहे हैं। कारण: क्वांटम प्रभाव, जो सबसे छोटे कणों और संरचनाओं की दुनिया से उत्पन्न होते हैं, कई नए तकनीकी अनुप्रयोगों को संभव बनाते हैं। तथाकथित सुपरकंडक्टर, जो क्वांटम यांत्रिकी के नियमों के अनुसार सूचना और संकेतों को संसाधित करने की अनुमति देते हैं, क्वांटम कंप्यूटरों को साकार करने के लिए आशाजनक घटक माने जाते हैं। हालांकि, सुपरकंडक्टिंग नैनोस्ट्रक्चर की एक प्रमुख समस्या यह है कि वे केवल बहुत कम तापमान पर ही कार्य करते हैं और इसलिए उन्हें व्यावहारिक अनुप्रयोगों में लाना कठिन है।

म्यूनस्टर विश्वविद्यालय और जूलिच अनुसंधान केंद्र के शोधकर्ताओं ने पहली बार उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टरों से बने नैनोवायरों में ऊर्जा परिमाणीकरण का प्रदर्शन किया है। ये सुपरकंडक्टर वे हैं जिनमें तापमान को उस सीमा से नीचे ले जाया जाता है जहां क्वांटम यांत्रिक प्रभाव हावी होते हैं। इसके बाद, सुपरकंडक्टिंग नैनोवायर केवल चुनिंदा ऊर्जा अवस्थाओं को ग्रहण करता है जिनका उपयोग सूचना को एन्कोड करने के लिए किया जा सकता है। उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टरों में, शोधकर्ता पहली बार एक फोटॉन के अवशोषण का भी अवलोकन करने में सक्षम हुए हैं, जो सूचना संचारित करने वाला एक प्रकाश कण है।

“एक तरफ, हमारे नतीजे भविष्य में क्वांटम तकनीकों में काफी सरलीकृत शीतलन तकनीक के उपयोग में योगदान दे सकते हैं, और दूसरी तरफ, वे हमें अतिचालक अवस्थाओं और उनकी गतिशीलता को नियंत्रित करने वाली प्रक्रियाओं में बिल्कुल नई अंतर्दृष्टि प्रदान करते हैं, जिन्हें अभी तक समझा नहीं गया है,” मुंस्टर विश्वविद्यालय के भौतिकी संस्थान के अध्ययन के प्रमुख प्रोफेसर कार्सटेन शुक ने जोर देते हुए कहा। इसलिए ये नतीजे नई प्रकार की कंप्यूटर तकनीक के विकास के लिए प्रासंगिक हो सकते हैं। यह अध्ययन नेचर कम्युनिकेशंस पत्रिका में प्रकाशित हुआ है।

वैज्ञानिकों ने यट्रियम, बेरियम, कॉपर ऑक्साइड और ऑक्सीजन तत्वों से बने सुपरकंडक्टरों (संक्षेप में YBCO) का उपयोग किया, जिनसे उन्होंने कुछ नैनोमीटर पतले तार बनाए। जब ​​ये संरचनाएं विद्युत धारा प्रवाहित करती हैं, तो 'फेज स्लिप' नामक भौतिक गतिकी उत्पन्न होती है। YBCO नैनोवायरों के मामले में, आवेश वाहक घनत्व में उतार-चढ़ाव के कारण सुपरकरंट में परिवर्तन होता है। शोधकर्ताओं ने 20 केल्विन से कम तापमान पर नैनोवायरों में होने वाली प्रक्रियाओं का अध्ययन किया, जो माइनस 253 डिग्री सेल्सियस के बराबर है। मॉडल गणनाओं के संयोजन से, उन्होंने नैनोवायरों में ऊर्जा अवस्थाओं के क्वांटमकरण को प्रदर्शित किया। वह तापमान जिस पर तार क्वांटम अवस्था में प्रवेश करते हैं, 12 से 13 केल्विन पाया गया - यह तापमान सामान्य रूप से उपयोग की जाने वाली सामग्रियों के लिए आवश्यक तापमान से कई सौ गुना अधिक है। इससे वैज्ञानिकों को विशिष्ट आवृत्तियों पर ट्यून किए गए दोलनशील प्रणालियों (रेजोनेटर) का उत्पादन करने में मदद मिली, जिनका जीवनकाल बहुत लंबा होता है और जो क्वांटम यांत्रिक अवस्थाओं को लंबे समय तक बनाए रख सकते हैं। यह भविष्य में और भी बड़े क्वांटम कंप्यूटरों के विकास के लिए एक आवश्यक शर्त है।

क्वांटम प्रौद्योगिकियों के विकास के लिए, और संभवतः चिकित्सा निदान के लिए भी, अन्य महत्वपूर्ण घटक ऐसे डिटेक्टर हैं जो एकल-फोटॉन को भी दर्ज कर सकते हैं। मुंस्टर विश्वविद्यालय में कार्सटेन शुक का शोध समूह कई वर्षों से सुपरकंडक्टरों पर आधारित ऐसे एकल-फोटॉन डिटेक्टरों को विकसित करने पर काम कर रहा है। जो तकनीक कम तापमान पर पहले से ही कारगर है, उसे दुनिया भर के वैज्ञानिक एक दशक से अधिक समय से उच्च-तापमान सुपरकंडक्टरों के साथ हासिल करने का प्रयास कर रहे हैं। अध्ययन में उपयोग किए गए YBCO नैनोवायरों में, यह प्रयास अब पहली बार सफल हुआ है। शुक शोध समूह के सह-लेखक मार्टिन वोल्फ कहते हैं, "हमारे नए निष्कर्ष प्रयोगात्मक रूप से सत्यापित सैद्धांतिक विवरणों और तकनीकी विकास के लिए मार्ग प्रशस्त करते हैं।"

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