क्वांटम यांत्रिकी आमतौर पर इलेक्ट्रॉनों, परमाणुओं और फोटॉनों के बहुत छोटे – के विज्ञान के रूप में वर्णित किया जाता है जो उन तरीकों से व्यवहार करते हैं जो रोजमर्रा के अनुभव के नियमों को धता बताते हैं। फिर भी आधुनिक भौतिकी के सबसे हड़ताली परिणामों में से एक यह है कि यह क्वांटम व्यवहार अचानक गायब नहीं होता है जब सिस्टम बड़े हो जाते हैं। इसके बजाय, यह एक साथ कुछ करने वाले कणों के समूहों के व्यवहार में खुद को दिखाना जारी रखता है। वर्षों से, भौतिकविदों ने सीखा है कि इन समूहों को कैसे इंजीनियर करना है, उन्हें मापना है, और यहां तक कि उन्हें विशिष्ट कार्यों को करने के लिए नियंत्रित करना है।
2025 भौतिकी नोबेल पुरस्कार जॉन क्लार्क, मिशेल डेवोरेट, और जॉन मार्टिनिस को उनके प्रयोगों में दिखाने के लिए सम्मानित किया गया है कि क्वांटम टनलिंग – एक ऐसी घटना जिसमें एक कण एक ऊर्जा अवरोध से गुजरता है, इसके बजाय उस पर चढ़ने के बजाय – न केवल सबटोमिक दायरे में हो सकता है, बल्कि एक विद्युत सर्किट में भी हो सकता है जो नंगा आंख के साथ देखने के लिए काफी बड़ा है। उनकी उपलब्धि ब्रायन जोसेफसन, एक ब्रिटिश भौतिक विज्ञानी, जो पहले वर्णित है, ने पहली बार वर्णन किया कि कैसे इलेक्ट्रॉनों के जोड़े दो सुपरकंडक्टर्स के बीच एक इन्सुलेट बैरियर के माध्यम से सुरंग बना सकते हैं, और एंथोनी लेगेट, जिन्होंने बाद में प्रस्तावित किया कि एक संपूर्ण सर्किट की सामूहिक राज्य एक क्वांटम ऑब्जेक्ट के रूप में व्यवहार कर सकता है। साथ में, इन विचारों ने कणों की क्वांटम दुनिया से उपकरणों की मैक्रोस्कोपिक दुनिया तक एक पुल बनाया।
एकल क्वांटम तरंग
1962 में, जब जोसेफसन कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय में 22 वर्षीय स्नातक छात्र थे, बार्डीन-कूपर-स्क्रीफ़र (बीसीएस) सिद्धांत ने सुपरकंडक्टिविटी को समझाया था। एक सुपरकंडक्टर में, इलेक्ट्रॉन जोड़े में कूपर जोड़े के रूप में जाना जाता है, एक सामूहिक स्थिति बनाता है जो प्रतिरोध के बिना बहता है। जोसेफसन ने सोचा कि अगर दो सुपरकंडक्टर्स को बहुत पतली इन्सुलेट बैरियर द्वारा अलग किया गया था तो क्या होगा। क्या युग्मित इलेक्ट्रॉन बस दीवार पर रुकेंगे या वे सुरंग के माध्यम से बंद कर देंगे (क्योंकि यह कुछ क्वांटम भौतिकी अनुमति देता है)?
एक एकल जोसेफसन जंक्शन का एक योजनाबद्ध चित्रण। ए और बी दो सुपरकंडक्टर्स हैं; C एक अल्ट्राथिन इन्सुलेटर है। | फोटो क्रेडिट: मिरासेटी (सीसी बाय-एसए)
क्वांटम भौतिकी के गणित का उपयोग करते हुए, उन्होंने दिखाया कि यह एक सुपरक्रेन्ट के लिए संभव था, यानी एक सुपरकंडक्टेड करंट, भले ही बैरियर के पार कोई वोल्टेज नहीं था। परिणाम क्रांतिकारी था: एक वर्तमान एक इन्सुलेटर में अनिश्चित काल तक बह सकता है, जो कि दो सुपरकंडक्टर्स के बीच विशेष संबंध के कारण विशुद्ध रूप से है। जोसेफसन ने वर्तमान को चरण अंतर से जोड़ने वाला एक सरल सूत्र प्राप्त किया।
एक सुपरकंडक्टर में, कूपर जोड़े बनाने वाले सभी इलेक्ट्रॉन एक ही क्वांटम लहर के रूप में एक साथ कार्य करते हैं। और किसी भी लहर की तरह, इस सामूहिक क्वांटम राज्य में एक चरण होता है, जिसे आप एक उपाय के रूप में सोच सकते हैं कि लहर के चक्र (शिखा से गर्त) के साथ यह एक दिए गए बिंदु पर है।
जब आप एक दूसरे के बगल में दो सुपरकंडक्टर्स को उनके बीच एक पतली इन्सुलेट बैरियर के साथ रखते हैं, तो प्रत्येक की अपनी क्वांटम वेव और अपना चरण होता है। चरण अंतर केवल उन दो चरणों के बीच का अंतर है – यानी एक लहर कितनी लीड या दूसरे के पीछे है।
यह अंतर केवल गणितीय नहीं है; यह शारीरिक रूप से वास्तविक भी है और यह नियंत्रित करता है कि सुपरकंडक्टर्स के बीच इलेक्ट्रॉनों की सुरंग कैसे होती है। वास्तव में, जंक्शन के पार बहने वाली धारा सीधे उस चरण के अंतर की साइन पर निर्भर करती है, जो कि जोसेफसन ने अपने सूत्र में व्यक्त किया है: मैं = मैंसी पाप (φ), जहां φ चरण अंतर को व्यक्त करने वाला कोण है।
कल्पना कीजिए कि दो सिंक्रनाइज़ किए गए नर्तकियों ने समान कदम उठाए। यदि वे पूरी तरह से सिंक में चलते हैं (कोई चरण अंतर नहीं), तो वे एक की तरह दिखते हैं। यदि एक नर्तक दूसरे से थोड़ा आगे है, तो वह ऑफसेट (उनका चरण अंतर) उनकी गति में दृश्यमान हस्तक्षेप बनाता है। इसी तरह, जब सुपरकंडक्टर्स के चरण अलग -अलग होते हैं, तो ऑफसेट उनके बीच एक बीट को चलाता है, जब कोई वोल्टेज लागू नहीं किया जाता है तब भी एक करंट का उत्पादन करता है।
अगली महान छलांग
जोसेफसन ने यह भी भविष्यवाणी की कि यदि एक वोल्टेज लागू किया गया था, तो वर्तमान उस वोल्टेज के लिए एक विशिष्ट आवृत्ति आनुपातिक पर दोलन करेगा। उन्होंने यह भी कहा कि यदि सेटअप को उस आवृत्ति के माइक्रोवेव के साथ रोशन किया गया था, तो बाधा के पार एक औसत दर्जे का वोल्टेज होना चाहिए। जब अन्य शोधकर्ताओं ने जल्दी से इन भविष्यवाणियों की पुष्टि की, तो यह जोसेफसन प्रभाव क्वांटम इलेक्ट्रॉनिक्स की आधारशिला बन गया। 1972 में, बीसीएस थ्योरी ने भौतिकी के लिए नोबेल पुरस्कार जीता, और जोसेफसन ने अगले साल अपने काम के लिए पुरस्कार के साथ पीछा किया।
जोसेफसन प्रभाव की कल्पना करने के लिए, एक पतली कांच की दीवार द्वारा अलग किए गए पानी के दो जलाशयों की कल्पना करें। शास्त्रीय रूप से, किसी भी पानी को इसे पार नहीं करना चाहिए। लेकिन क्वांटम दुनिया में, दोनों ओर अणुओं से जुड़ी लहरें दीवार के माध्यम से एक छोटा लेकिन स्थिर रिसाव बना सकती हैं और बना सकती हैं। जोसेफसन जंक्शन – जो दो सुपरकंडक्टर्स और एक इन्सुलेटर का एक सैंडविच है – इस अनुचित लीक का विद्युत संस्करण है। सुपरक्रेंट एक धक्का, या वोल्टेज से उत्पन्न नहीं होता है, लेकिन क्वांटम तरंगों के सुसंगतता से स्वयं। यहां ‘सुसंगतता’ का अर्थ है अपने क्वांटम चरित्र को बनाए रखने के लिए प्रणाली की क्षमता। और इस सुसंगतता के कारण, एक जोसेफसन जंक्शन एक एकल क्वांटम इकाई की तरह व्यवहार कर सकता है, भले ही इसमें इलेक्ट्रॉनों के खरबों में शामिल हों।
क्वांटम दुनिया में, इस जलाशय के दोनों ओर अणुओं से जुड़ी लहरें दीवार के माध्यम से एक छोटा लेकिन स्थिर रिसाव बना सकती हैं। | फोटो क्रेडिट: चैट 5 के साथ बनाई गई छवि 5
इस श्रृंखला पर अगली महान छलांग ब्रिटिश-अमेरिकी भौतिक विज्ञानी एंथनी लेगेट की थी। 1970 के दशक के उत्तरार्ध में, भौतिकविदों को पता था कि जोसेफसन जंक्शनों ने क्वांटम सिद्धांत के अनुरूप तरीके से व्यवहार किया था, लेकिन एक गहरी वैचारिक प्रश्न भी बने हुए थे: क्या एक संपूर्ण मैक्रोस्कोपिक चर, जैसे कि एक सर्किट में वर्तमान बहना, क्वांटम यांत्रिकी के नियमों का पालन करते हैं जैसे कि यह एक सूक्ष्म कण था?
लेगेट, तब सुपरफ्लुइड हीलियम में एक पृष्ठभूमि के साथ एक युवा सिद्धांतकार, ने माना कि जोसेफसन जंक्शन ने आदर्श परीक्षण मैदान की पेशकश की। उन्होंने दो सुपरकंडक्टर्स (याद रखें: एक सामूहिक संपत्ति जिसमें इलेक्ट्रॉनों के खरबों को शामिल किया गया है) के बीच चरण अंतर का इलाज करने का प्रस्ताव दिया गया। अपने मॉडल में, सिस्टम दो पहाड़ियों के बीच एक घाटी में फंसे एक संगमरमर से मिलता जुलता था। संगमरमर ने चरण अंतर का प्रतिनिधित्व किया; पहाड़ियों ने जंक्शन के वर्तमान और समाई द्वारा निर्धारित ऊर्जा बाधाओं का प्रतिनिधित्व किया। यदि संगमरमर में पर्याप्त ऊर्जा होती है, तो यह पहाड़ी पर रोल कर सकता है, जो कि एक शून्य-वोल्टेज राज्य से एक परिमित वोल्टेज के साथ जंक्शन स्विचिंग के अनुरूप है। लेकिन पर्याप्त ऊर्जा के बिना भी, क्वांटम यांत्रिकी संगमरमर को पहाड़ी के माध्यम से सुरंग की अनुमति देता है, शीर्ष पर जाने के बिना दूसरी तरफ दिखाई देता है।
लेगेट ने भविष्यवाणी की कि पर्याप्त रूप से कम तापमान पर, जब ऊर्जा अवरोध पर इसे धकेलने के लिए सिस्टम में पर्याप्त गर्मी नहीं थी, तो सिस्टम का एक मैक्रोस्कोपिक चर सुरंग के माध्यम से हो सकता है – और यह एक छोटे से वर्तमान के रूप में देखा जा सकता है जो तापमान से स्वतंत्र है।
कुछ उल्लेखनीय
उनके काम ने एक कट्टरपंथी विचार का प्रस्ताव किया: यह विशिष्ट परिस्थितियों को निर्धारित करता है जिसमें मैक्रोस्कोपिक क्वांटम प्रभाव पर्यावरण के विनाशकारी प्रभाव से बच सकते हैं। उन्होंने विश्लेषण किया कि कैसे घर्षण घाटे और विद्युत चुम्बकीय शोर (एक साथ विघटन और डिकॉरेंस के रूप में जाना जाता है) क्वांटम टनलिंग को हतोत्साहित करेगा, और दिखाया कि कैसे सर्किट डिजाइन करें जो प्रभावों को कम करेगा। दूसरे शब्दों में, उनके सिद्धांत ने क्वांटम यांत्रिकी की सीमाओं का परीक्षण करने के लिए जोसेफसन जंक्शन का उपयोग करने का एक तरीका दिखाया।
चुनौती लेने वालों में क्लार्क, डेवोरेट और मार्टिनिस थे। उन्होंने उत्कृष्ट रूप से स्वच्छ जोसेफसन जंक्शनों को विकसित किया और उन्हें निरपेक्ष शून्य से ऊपर एक डिग्री के अंशों में ठंडा किया। जंक्शन को लगातार बढ़ते वर्तमान के साथ पक्षपात करके, वे उस बिंदु के लिए देख सकते थे जिस पर यह एक परिमित वोल्टेज राज्य में बदल गया था। उच्च तापमान पर, स्विच थर्मल उतार -चढ़ाव द्वारा निर्धारित यादृच्छिक धाराओं में हुआ: यानी गर्मी के नमूने को गर्म करते हैं, जितना अधिक आसानी से यह बाधा पर कूद सकता है, इसके बजाय सुरंग के माध्यम से चुनने के बजाय।
लेकिन जैसे ही उन्होंने तापमान कम किया, कुछ उल्लेखनीय हुआ। एक निश्चित बिंदु के नीचे, तापमान अब कोई फर्क नहीं पड़ता: जंक्शन एक छोटे लेकिन स्थिर संभावना के साथ स्विच करना जारी रखा, ठीक उसी तरह जैसे लेगेट के मॉडल ने भविष्यवाणी की थी। यह भागने की दर भी शास्त्रीय थर्मल पैटर्न के बाद बंद हो गई और इसके बजाय एक पैटर्न में बस गया, केवल क्वांटम यांत्रिकी समझा सकता है। वास्तव में, तिकड़ी ने एक ऊर्जा बाधा के माध्यम से एक मैक्रोस्कोपिक सिस्टम टनलिंग पकड़ा था।
प्रयोगात्मक सेटअप। | फोटो क्रेडिट: जोहान जर्नस्टैड/द रॉयल स्वीडिश एकेडमी ऑफ साइंसेज
अपने मामले को मजबूत करने के लिए, तीनों ने तब स्पेक्ट्रोस्कोपी की ओर रुख किया। यदि चरण चर वास्तव में एक क्वांटम कण की तरह व्यवहार करता है, तो इसे असतत ऊर्जा स्तर करना होगा। उन्होंने जोसेफसन की भविष्यवाणी का पालन किया और सर्किट पर विशिष्ट आवृत्तियों के माइक्रोवेव को चमकाया, और पाया कि यह ऊर्जा को केवल तभी अवशोषित करता है जब आवृत्ति ऊर्जा स्तरों के बीच अंतर से मेल खाती है। यह एक मैक्रोस्कोपिक ऑब्जेक्ट में ऊर्जा की मात्रा का स्पष्ट प्रमाण था।
सुपरकंडक्टिंग क्विट
1981 और 1985 में दो पत्रों में, उन्होंने मैक्रोस्कोपिक क्वांटम टनलिंग और क्वांटाइज्ड एनर्जी लेवल के अवलोकन का वर्णन किया, दोनों एक एकल जोसेफसन जंक्शन में – एक परिणाम जो सीधे जोसेफसन की खोज और लेगेट के सिद्धांत पर बनाया गया था। अगले कुछ दशकों में, जैसा कि भौतिकविदों ने इन परीक्षणों और उन्नत तकनीकों के लिए अधिक अनुकूल सामग्री विकसित की, जो बारीक माप कर सकते थे, वे इन प्रभावों को कभी भी अधिक सटीकता के साथ पुष्टि करने में सक्षम थे। आखिरकार, प्रयोग आज के क्वांटम कंप्यूटरों की नींव बन गए। या के रूप में माइकल शिर्बर के रूप में भौतिकी पत्रिका इसे रखें: “काम थ्रस्ट सुपरकंडक्टिंग सर्किट के क्षेत्र को खोलते हैं, जो भविष्य के क्वांटम कंप्यूटिंग उपकरणों के लिए होनहार प्लेटफार्मों में से एक बन गए हैं।”
इन कंप्यूटरों के दिल में सुपरकंडक्टिंग क्विट है, जो एक उपकरण है जो जोसेफसन जंक्शनों में देखे गए समान क्वांटम व्यवहार का उपयोग करके काम करता है। क्वांटम कंप्यूटर में एक qubit जानकारी की मूल इकाई है। एक शास्त्रीय बिट के विपरीत, जो 0 या 1 हो सकता है, एक Qubit एक सुपरपोजिशन में मौजूद हो सकता है: एक ही समय में भाग 0 और भाग 1। यह क्वांटम कंप्यूटरों को एक साथ कई संभावनाओं का पता लगाने की अनुमति देता है, जिससे उन्हें उन समस्याओं को हल करने के लिए शक्तिशाली बना दिया जाता है जो शास्त्रीय कंप्यूटरों के लिए बहुत जटिल हैं। इनमें से प्रत्येक Qubits में उपयोग किए जाने वाले पुरस्कार विजेता के एक सर्किट होते हैं। एक क्वांटम कण की तरह व्यवहार करने के आधार पर, मैक्रोस्कोपिक सर्किट का एक चर – जैसे चरण अंतर – क्विट की भूमिका को निबंध करेगा, जबकि सर्किट के बड़े आकार से एक ऑपरेटर के लिए इसे हेरफेर करना और मापना आसान होगा।
लेगेट ने अक्सर प्रतिबिंबित किया है कि जब क्वांटम यांत्रिकी सार्वभौमिक दिखाई देती है, तब भी पर्यावरणीय कारकों द्वारा लगाए गए सीमाएं हो सकती हैं, और यह कि उन सीमाओं की जांच करना उतना ही महत्वपूर्ण है जितना कि निर्माण उपकरणों के रूप में जो उनका शोषण करते हैं। मैक्रोस्कोपिक क्वांटम सिस्टम पर उनके काम ने क्वांटम कोहेरेंस के आधुनिक क्षेत्र को स्थापित करने में मदद की, जो अब संघनित-मटर भौतिकी, क्वांटम ऑप्टिक्स और क्वांटम सूचना विज्ञान तक फैला है। इस बीच, जोसेफसन ने सुसंगतता के दार्शनिक निहितार्थों का पता लगाने के लिए चला गया, यह प्रस्तावित करते हुए कि क्वांटम चरण संबंधों द्वारा निहित गहरी जुड़ाव में अन्य डोमेन में एनालॉग हो सकते हैं।