কোয়ান্টাম মেকানিক্স কীভাবে বৈদ্যুতিক সার্কিটে 'দেখা' হয়েছিল তার কৌতূহলী ইতিহাস

কোয়ান্টাম মেকানিক্স সাধারণত খুব ছোটের বিজ্ঞান হিসাবে বর্ণনা করা হয় – ইলেক্ট্রন, পরমাণু এবং ফোটনগুলির যেগুলি এমনভাবে আচরণ করে যা প্রতিদিনের অভিজ্ঞতার নিয়মকে অস্বীকার করে। তবুও আধুনিক পদার্থবিজ্ঞানের সবচেয়ে আকর্ষণীয় ফলাফলগুলির মধ্যে একটি হ'ল সিস্টেমগুলি বড় হয়ে গেলে এই কোয়ান্টাম আচরণটি হঠাৎ করেই অদৃশ্য হয়ে যায় না। পরিবর্তে, এটি কণার গোষ্ঠীগুলির আচরণে নিজেকে একসাথে কিছু করে দেখাতে থাকে। বছরের পর বছর ধরে, পদার্থবিজ্ঞানীরা কীভাবে এই গোষ্ঠীগুলিকে ইঞ্জিনিয়ার করতে, সেগুলি পরিমাপ করতে এবং এমনকি নির্দিষ্ট কাজগুলি সম্পাদন করতে তাদের নিয়ন্ত্রণ করতে শিখেছেন।

দ্য 2025 পদার্থবিজ্ঞান নোবেল পুরষ্কার কোয়ান্টাম টানেলিং – এমন একটি ঘটনা যেখানে একটি কণা তার উপর আরোহণের পরিবর্তে একটি শক্তির বাধা পেরিয়ে যায় – এটি কেবল সাবটমিক রাজ্যেই নয়, খালি চোখে দেখার জন্য একটি বৈদ্যুতিক সার্কিটের মধ্যেও দেখা যায়। তাদের কৃতিত্ব ব্রায়ান জোসেফসনের কাছে প্রসারিত একটি বিশেষ চেইনের শেষে এসেছিল, একজন ব্রিটিশ পদার্থবিদ যিনি প্রথমে বর্ণনা করেছিলেন যে কীভাবে দুটি সুপারকন্ডাক্টর এবং অ্যান্টনি লেগেটের মধ্যে একটি অন্তরক বাধা দিয়ে ইলেক্ট্রনগুলির জোড়া টানেল করতে পারে, যিনি পরে প্রস্তাব করেছিলেন যে পুরো সার্কিটের সমষ্টিগত রাষ্ট্র নিজেই একটি কোয়ান্টাম অবজেক্ট হিসাবে সন্ধান করতে পারে। একসাথে, এই ধারণাগুলি কণার কোয়ান্টাম জগত থেকে ডিভাইসগুলির ম্যাক্রোস্কোপিক বিশ্বে একটি সেতু তৈরি করেছিল।

একক কোয়ান্টাম তরঙ্গ

১৯62২ সালে, যখন জোসেফসন কেমব্রিজ বিশ্ববিদ্যালয়ের 22 বছর বয়সী স্নাতক শিক্ষার্থী ছিলেন, তখন বার্ডিন-কুপার-স্ক্রাইফার (বিসিএস) তত্ত্বটি সুপারকন্ডাকটিভিটি ব্যাখ্যা করেছিলেন। একটি সুপারকন্ডাক্টরে, ইলেক্ট্রনগুলি কুপার জোড়া হিসাবে পরিচিত জোড়ায় সরে যায়, একটি সম্মিলিত রাষ্ট্র গঠন করে যা প্রতিরোধ ছাড়াই প্রবাহিত হয়। জোসেফসন আশ্চর্য হয়েছিলেন যে দুটি সুপারকন্ডাক্টর খুব পাতলা অন্তরক বাধা দ্বারা পৃথক করা হলে কী হবে। জোড়যুক্ত ইলেক্ট্রনগুলি কি কেবল প্রাচীরের দিকে থামবে বা তারা টানেলের মাধ্যমে করবে (যেহেতু এটি কোয়ান্টাম পদার্থবিজ্ঞানের অনুমতি দেয়)?

কোয়ান্টাম পদার্থবিজ্ঞানের গণিত ব্যবহার করে, তিনি দেখিয়েছিলেন যে কোনও সুপারকন্টেন্ট, অর্থাত্ একটি সুপারকন্ডাক্টেড কারেন্টের পক্ষে বাধা পেরিয়েও কোনও ভোল্টেজ না থাকলেও এটি সম্ভব ছিল। ফলাফলটি বিপ্লবী ছিল: দুটি সুপারকন্ডাক্টরের মধ্যে বিশেষ সম্পর্কের কারণে খাঁটিভাবে একটি অন্তর্দৃষ্টি জুড়ে একটি স্রোত অনির্দিষ্টকালের জন্য প্রবাহিত হতে পারে। জোসেফসন একটি সাধারণ সূত্র অর্জন করেছেন যা স্রোতকে পর্বের পার্থক্যের সাথে সংযুক্ত করে।

একটি সুপারকন্ডাক্টরে, কুপার জোড়া তৈরি করা সমস্ত ইলেকট্রন একক কোয়ান্টাম তরঙ্গ হিসাবে একসাথে কাজ করে। এবং যে কোনও তরঙ্গের মতো, এই সম্মিলিত কোয়ান্টাম রাজ্যের একটি পর্যায় রয়েছে, যা আপনি তরঙ্গের চক্রের সাথে (ক্রেস্ট টু ট্রাওর) কতটা দূরে একটি পরিমাপ হিসাবে ভাবতে পারেন এটি একটি নির্দিষ্ট পয়েন্টে।

আপনি যখন দুটি সুপারকন্ডাক্টর একে অপরের পাশে তাদের মধ্যে একটি পাতলা অন্তরক বাধা দিয়ে রাখেন, তখন প্রত্যেকের নিজস্ব কোয়ান্টাম তরঙ্গ এবং নিজস্ব পর্যায় থাকে। পর্বের পার্থক্যটি কেবল সেই দুটি পর্যায়ের মধ্যে পার্থক্য – অর্থাত্ একটি তরঙ্গ অন্যটির পিছনে কতটা এগিয়ে যায় বা পিছিয়ে যায়।

এই পার্থক্যটি কেবল গাণিতিক নয়; এটি শারীরিকভাবে বাস্তবও এবং এটি নিয়ন্ত্রণ করে যে কীভাবে সুপারকন্ডাক্টরগুলির মধ্যে ইলেক্ট্রন টানেল। প্রকৃতপক্ষে, জংশন জুড়ে প্রবাহিত স্রোত সরাসরি সেই পর্বের পার্থক্যের সাইনটির উপর নির্ভর করে, যা জোসেফসন তার সূত্রে প্রকাশ করেছিলেন: আমি = আমি_গ পাপ (φ), যেখানে φ হ'ল কোণটি পর্বের পার্থক্য প্রকাশ করে।

কল্পনা করুন যে দুটি সিঙ্ক্রোনাইজড নৃত্যশিল্পী একই পদক্ষেপগুলি সম্পাদন করছেন। যদি তারা সিঙ্কে পুরোপুরি সরানো হয় (কোনও পর্যায়ে পার্থক্য নেই) তবে তারা দেখতে একের মতো। যদি একজন নৃত্যশিল্পী অন্যটির চেয়ে কিছুটা এগিয়ে থাকে তবে সেই অফসেট (তাদের পর্বের পার্থক্য) তাদের গতিতে দৃশ্যমান হস্তক্ষেপ তৈরি করে। একইভাবে, যখন সুপারকন্ডাক্টরগুলির পর্যায়গুলি পৃথক হয়, তখন অফসেট তাদের মধ্যে একটি বীট চালিত করে, কোনও ভোল্টেজ প্রয়োগ করা না হলেও একটি বর্তমান উত্পাদন করে।

পরের দুর্দান্ত লিপ

জোসেফসন আরও ভবিষ্যদ্বাণী করেছিলেন যে যদি কোনও ভোল্টেজ প্রয়োগ করা হয় তবে স্রোত সেই ভোল্টেজের সাথে সমানুপাতিক একটি নির্দিষ্ট ফ্রিকোয়েন্সিতে দোলায়। তিনি আরও বলেছিলেন যে সেটআপটি যদি সেই ফ্রিকোয়েন্সিটির মাইক্রোওয়েভ দিয়ে আলোকিত করা হয় তবে বাধা জুড়ে একটি পরিমাপযোগ্য ভোল্টেজ থাকা উচিত। অন্যান্য গবেষকরা যখন এই ভবিষ্যদ্বাণীগুলি দ্রুত নিশ্চিত করেছেন, তখন এই জোসেফসন প্রভাবটি কোয়ান্টাম ইলেকট্রনিক্সের মূল ভিত্তি হয়ে ওঠে। 1972 সালে, বিসিএস থিওরি পদার্থবিজ্ঞানের জন্য নোবেল পুরষ্কার জিতেছিল এবং জোসেফসন তার কাজের জন্য পুরষ্কারটি দিয়ে পরের বছর অনুসরণ করেছিলেন।

জোসেফসন প্রভাবটি কল্পনা করতে, একটি পাতলা কাচের প্রাচীর দ্বারা পৃথক দুটি জলাধার জল কল্পনা করুন। ধ্রুপদীভাবে, কোনও জল এটি অতিক্রম করা উচিত নয়। তবে কোয়ান্টাম বিশ্বে, উভয় পাশের অণুগুলির সাথে সম্পর্কিত তরঙ্গগুলি হস্তক্ষেপ করতে পারে এবং প্রাচীরের মাধ্যমে একটি ছোট তবে অবিচলিত ফুটো তৈরি করতে পারে। জোসেফসন জংশন – যা দুটি সুপারকন্ডাক্টরের স্যান্ডউইচ এবং একটি অন্তরক – এটি এই অসম্ভব ফাঁসটির বৈদ্যুতিক সংস্করণ। সুপারকন্টেন্ট কোনও ধাক্কা, বা ভোল্টেজ থেকে উত্থিত হয় না, তবে কোয়ান্টাম তরঙ্গগুলির সংহতি থেকে নিজেরাই। এখানে 'সমন্বয়' এর অর্থ সিস্টেমের কোয়ান্টাম চরিত্রটি বজায় রাখার ক্ষমতা। এবং এই সংহতির কারণে, একটি জোসেফসন জংশন একক কোয়ান্টাম সত্তার মতো আচরণ করতে পারে, যদিও এটি ট্রিলিয়ন ইলেক্ট্রন নিয়ে গঠিত।

এই চেইনের পরবর্তী দুর্দান্ত লাফটি ছিল ব্রিটিশ-আমেরিকান পদার্থবিজ্ঞানী অ্যান্টনি লেগেট। ১৯ 1970০ এর দশকের শেষের দিকে, পদার্থবিজ্ঞানীরা জানতেন যে জোসেফসন জংশনগুলি কোয়ান্টাম তত্ত্বের সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ উপায়ে আচরণ করেছিল, তবে সেখানে আরও গভীর ধারণাগত প্রশ্ন থেকে যায়: একটি সার্কিটের মধ্যে প্রবাহিত বর্তমানের মতো একটি সম্পূর্ণ ম্যাক্রোস্কোপিক ভেরিয়েবল কি কোয়ান্টাম মেকানিক্সের আইন মেনে চলতে পারে যদি এটি কোনও মাইক্রোস্কোপিক কণা ছিল?

সুপারফ্লুয়েড হিলিয়ামের পটভূমি সহ তত্কালীন তরুণ তাত্ত্বিক লেগেট স্বীকৃতি দিয়েছিলেন যে জোসেফসন জংশন আদর্শ পরীক্ষার ক্ষেত্রটি সরবরাহ করেছে। তিনি দুটি সুপারকন্ডাক্টর (মনে রাখবেন: ট্রিলিয়ন ইলেক্ট্রন জড়িত একটি সম্মিলিত সম্পত্তি) একটি শক্তির প্রাকৃতিক দৃশ্যে চলমান একক প্যারামিটার হিসাবে পর্যায় পার্থক্যের চিকিত্সার প্রস্তাব করেছিলেন। তার মডেলটিতে, সিস্টেমটি দুটি পাহাড়ের মধ্যে একটি উপত্যকায় আটকে থাকা মার্বেলের সাথে সাদৃশ্যপূর্ণ। মার্বেল পর্বের পার্থক্যের প্রতিনিধিত্ব করে; পাহাড়গুলি জংশনের বর্তমান এবং ক্যাপাসিট্যান্স দ্বারা নির্ধারিত শক্তি বাধা উপস্থাপন করে। যদি মার্বেলের পর্যাপ্ত শক্তি থাকে তবে এটি জিরো-ভোল্টেজ রাজ্য থেকে সীমাবদ্ধ ভোল্টেজের সাথে একটিতে স্যুইচিং জংশনের সাথে মিল রেখে পাহাড়ের উপর দিয়ে যেতে পারে। এমনকি পর্যাপ্ত শক্তি ছাড়াই, কোয়ান্টাম মেকানিক্স মার্বেলটিকে পাহাড়ের মধ্য দিয়ে টানেল করতে দেয়, শীর্ষে না গিয়ে অন্যদিকে উপস্থিত হয়।

লেগেট ভবিষ্যদ্বাণী করেছিলেন যে পর্যাপ্ত পরিমাণে কম তাপমাত্রায়, যখন এটি শক্তি বাধার উপর চাপ দেওয়ার মতো সিস্টেমে পর্যাপ্ত তাপ ছিল না, তখন সিস্টেমের একটি ম্যাক্রোস্কোপিক ভেরিয়েবলটি সুড়ঙ্গ করতে পারে – এবং এটি তাপমাত্রার থেকে স্বতন্ত্র একটি ছোট স্রোত হিসাবে পর্যবেক্ষণ করা যেতে পারে।

অসাধারণ কিছু

তাঁর কাজটি একটি মৌলিক ধারণার প্রস্তাব দেওয়ার চেয়ে আরও বেশি কিছু করেছিল: এটি নির্দিষ্ট শর্তগুলি নির্ধারণ করে যেখানে ম্যাক্রোস্কোপিক কোয়ান্টাম প্রভাবগুলি পরিবেশের ধ্বংসাত্মক প্রভাব থেকে বাঁচতে পারে। তিনি বিশ্লেষণ করেছেন যে কীভাবে ঘর্ষণমূলক ক্ষতি এবং বৈদ্যুতিন চৌম্বকীয় শব্দ (একসাথে অপচয় এবং ডিকোহরেন্স হিসাবে পরিচিত) কোয়ান্টাম টানেলিংকে নিরুৎসাহিত করবে এবং কীভাবে প্রভাবগুলি হ্রাস করবে এমন সার্কিটগুলি ডিজাইন করবেন তা দেখিয়েছেন। অন্য কথায়, তাঁর তত্ত্বটি কোয়ান্টাম মেকানিক্সের সীমা পরীক্ষা করতে জোসেফসন জংশনটি ব্যবহার করার একটি উপায় দেখিয়েছিল।

যারা এই চ্যালেঞ্জটি গ্রহণ করেছিলেন তাদের মধ্যে ছিলেন ক্লার্ক, ডিভোরেট এবং মার্টিনিস। তারা দুর্দান্তভাবে পরিষ্কার জোসেফসন জংশনগুলি বিকাশ করেছে এবং এগুলি নিখুঁত শূন্যের উপরে একটি ডিগ্রির ভগ্নাংশে শীতল করেছে। অবিচ্ছিন্নভাবে ক্রমবর্ধমান স্রোতের সাথে জংশনকে পক্ষপাতদুষ্ট করে, তারা যে বিন্দুতে এটি একটি সীমাবদ্ধ ভোল্টেজ অবস্থায় স্যুইচ করেছে তার সন্ধান করতে পারে। উচ্চ তাপমাত্রায়, তাপীয় ওঠানামা দ্বারা নির্ধারিত এলোমেলো স্রোতে স্যুইচটি ঘটেছিল: অর্থাত্ নমুনাটি আরও উত্তপ্ত, আরও সহজেই এটি টানেলের মাধ্যমে পছন্দ না করে বাধাটির উপরে ঝাঁপিয়ে পড়তে পারে।

তবে তারা তাপমাত্রা হ্রাস করার সাথে সাথে উল্লেখযোগ্য কিছু ঘটেছিল। একটি নির্দিষ্ট বিন্দুর নীচে, তাপমাত্রা আর গুরুত্বপূর্ণ হয় না: জংশনটি একটি ছোট তবে অবিচলিত সম্ভাবনার সাথে স্যুইচ করতে থাকে, ঠিক যেমন লেগেটের মডেলটির পূর্বাভাস দেওয়া হয়েছিল। এই পালানোর হারটি শাস্ত্রীয় তাপীয় প্যাটার্ন অনুসরণ করেও বন্ধ হয়ে যায় এবং পরিবর্তে কেবল কোয়ান্টাম মেকানিক্স ব্যাখ্যা করতে পারে এমন একটি প্যাটার্নে স্থির হয়। বাস্তবে, ত্রয়ী একটি শক্তি বাধা দিয়ে একটি ম্যাক্রোস্কোপিক সিস্টেম টানেলিং ধরেছিল।

তাদের কেসকে শক্তিশালী করার জন্য, তিনজন তখন বর্ণালীতে পরিণত হয়েছিল। যদি ফেজ ভেরিয়েবলটি সত্যই কোয়ান্টাম কণার মতো আচরণ করে তবে এটির পৃথক শক্তির স্তর থাকতে হবে। তারা জোসেফসনের ভবিষ্যদ্বাণী অনুসরণ করেছিল এবং সার্কিটের নির্দিষ্ট ফ্রিকোয়েন্সিগুলির মাইক্রোওয়েভগুলি চকচকে করে এবং দেখতে পেল যে এটি কেবল তখনই শক্তি শোষিত করে যখন ফ্রিকোয়েন্সি শক্তির স্তরের মধ্যে ব্যবধানের সাথে মিলে যায়। এটি একটি ম্যাক্রোস্কোপিক অবজেক্টে শক্তি পরিমাণের সুস্পষ্ট প্রমাণ ছিল।

সুপারকন্ডাক্টিং কুইট

1981 এবং 1985 সালে দুটি গবেষণাপত্রে তারা ম্যাক্রোস্কোপিক কোয়ান্টাম টানেলিং এবং কোয়ান্টাইজড এনার্জি লেভেলের পর্যবেক্ষণকে বর্ণনা করেছিলেন, উভয়ই একক জোসেফসন জংশনে – এমন একটি ফলাফল যা জোসেফসনের আবিষ্কার এবং লেগেটের তত্ত্বের উপর সরাসরি নির্মিত। পরবর্তী কয়েক দশক ধরে, পদার্থবিদরা এই পরীক্ষাগুলি এবং উন্নত কৌশলগুলির জন্য আরও উপযুক্ত উপকরণগুলি তৈরি করে যা সূক্ষ্ম পরিমাপ করতে পারে, তারা এই প্রভাবগুলি আরও বৃহত্তর নির্ভুলতার সাথে নিশ্চিত করতে সক্ষম হয়েছিল। অবশেষে, পরীক্ষাগুলি আজকের কোয়ান্টাম কম্পিউটারের ভিত্তি হয়ে ওঠে। বা মাইকেল শিরবার হিসাবে পদার্থবিজ্ঞান ম্যাগাজিন এটি রাখুন: “কাজটি সুপারকন্ডাক্টিং সার্কিটগুলির ক্ষেত্রটি খুলুন, যা ভবিষ্যতের কোয়ান্টাম কম্পিউটিং ডিভাইসের জন্য প্রতিশ্রুতিবদ্ধ প্ল্যাটফর্মগুলির মধ্যে একটি হয়ে উঠেছে।”

এই কম্পিউটারগুলির কেন্দ্রবিন্দুতে সুপারকন্ডাক্টিং কুইবিট রয়েছে, যা এমন একটি ডিভাইস যা জোসেফসন জংশনে দেখা একই কোয়ান্টাম আচরণকে কাজে লাগিয়ে কাজ করে। একটি কোয়েট হ'ল কোয়ান্টাম কম্পিউটারে তথ্যের প্রাথমিক একক। একটি ধ্রুপদী বিটের বিপরীতে, যা 0 বা 1 হতে পারে, একটি সুপারপজিশনে একটি কুইবিট থাকতে পারে: একই সময়ে অংশ 0 এবং অংশ 1। এটি কোয়ান্টাম কম্পিউটারগুলিকে একই সাথে অনেকগুলি সম্ভাবনা অন্বেষণ করতে দেয়, যা ক্লাসিকাল কম্পিউটারের জন্য খুব জটিল সমস্যা সমাধানের জন্য তাদের শক্তিশালী করে তোলে। এই কুইটগুলির প্রত্যেকটিই ব্যবহৃত বিজয়ীদের বাছাইয়ের একটি সার্কিট নিয়ে গঠিত। কোয়ান্টাম কণার মতো আচরণের কারণে, ম্যাক্রোস্কোপিক সার্কিটের একটি পরিবর্তনশীল – যেমন পর্বের পার্থক্য – কুইবিটের ভূমিকা রচনা করবে, যখন সার্কিটের বৃহত আকারের কোনও অপারেটরের পক্ষে এটি ম্যানিপুলেট করা এবং পরিমাপ করা সহজ করে তুলবে।

লেগেট প্রায়শই প্রতিফলিত করে যে কোয়ান্টাম মেকানিক্স সর্বজনীন প্রদর্শিত হলেও পরিবেশগত কারণগুলির দ্বারা আরোপিত সীমাও থাকতে পারে এবং এই সীমাগুলির তদন্ত করা তাদের শোষণকারী ডিভাইসগুলির মতোই গুরুত্বপূর্ণ। ম্যাক্রোস্কোপিক কোয়ান্টাম সিস্টেমে তাঁর কাজ কোয়ান্টাম সংহতির আধুনিক ক্ষেত্রটি প্রতিষ্ঠায় সহায়তা করতে সহায়তা করেছে, যা এখন কনডেন্সড-ম্যাটার ফিজিক্স, কোয়ান্টাম অপটিক্স এবং কোয়ান্টাম তথ্য বিজ্ঞানের বিস্তৃত। জোসেফসন, ইতিমধ্যে, সংহতির দার্শনিক প্রভাবগুলি অন্বেষণ করতে গিয়েছিলেন, প্রস্তাব দিয়েছিলেন যে কোয়ান্টাম পর্বের সম্পর্কের দ্বারা জড়িত গভীর সংযোগের অন্যান্য ডোমেনগুলিতে অ্যানালগগুলি থাকতে পারে।