விஞ்ஞானிகள் எவ்வாறு குவாண்டம் கோட்பாட்டை யதார்த்தமாக மாற்றினார்கள்

இந்த ஆண்டின் இயற்பியல் நோபல் பரிசு, குவாண்டம் மெக்கானிக்கல் டன்னலிங் (Quantum Mechanical Tunneling) என்ற அடிப்படை கண்டுபிடிப்புக்காக வழங்கப்பட்டுள்ளது. குறிப்பாக, இது மேக்ரோஸ்கோபிக் (பெரிய அளவிலான) குவாண்டம் டன்னலிங் மற்றும் மின்சார சுற்றுகளில் ஆற்றல் குவாண்டைசேஷன் (energy quantization) பற்றியது. இந்தக் கண்டுபிடிப்பை ஜான் கிளார்க் (John Clarke), மிஷெல் எச். டெவோரெட் (Michel H. Devoret) மற்றும் ஜான் எம். மார்டினிஸ் (John M. Martinis) ஆகிய மூன்று விஞ்ஞானிகள் செய்துள்ளனர். இவர்கள் அமெரிக்காவின் கலிபோர்னியா பல்கலைக்கழகம், பெர்க்லி (University of California, Berkeley) மற்றும் யேல் பல்கலைக்கழகம் (Yale University) போன்ற இடங்களில் பணியாற்றியவர்கள்.  

இந்த மூவரும், ஏறக்குறைய நாற்பது ஆண்டுகளுக்கு முன் செய்த பரிசோதனைகளுக்காக (1985) இந்த விருதைப் பெறுகின்றனர். இவர்களின் கண்டுபிடிப்பு, குவாண்டம் இயக்கவியல் (quantum mechanics) என்ற அறிவியல் கோட்பாட்டை பெரிய அளவிலான பொருட்களில் (macroscopic scale) காண்பித்தது. 

இது ஏன் முக்கியம்?

குவாண்டம் இயக்கவியல் பொதுவாக அணுக்கள், எலக்ட்ரான்கள் போன்ற நுண்ணோக்கிகளாலும் காண முடியாத மிகச் சிறிய துகள்களுக்கு மட்டுமே பொருந்தும். ஆனால் இம்மூவரும், ஒரு கையில் பிடிக்கக்கூடிய ஒரு எலக்ட்ரிக் சர்க்யூட்டில் இந்த குவாண்டம் விளைவுகளை காட்டினர்.  

குவாண்டம் மெக்கானிக்கல் டன்னலிங் என்றால் என்ன என்று பார்ப்போம். இதை எளிய மொழியில் சொல்ல வேண்டுமானால், சிறிய உதாரணங்களுடன் விளக்க வேண்டும். முதலில், அடிப்படை அறிவியலில் இருந்து தொடங்கி, பின்னர் இந்த கண்டுபிடிப்பின் விவரங்களுக்கு வரலாம். இதற்காக எந்தவொரு சிக்கலான சூத்திரங்களும் இல்லாமல், அன்றாட வாழ்க்கை உதாரணங்களுடன் புரிந்துகொள்ள முயற்சிப்போம்.

கிளாசிக்கல் உலகம் என்பது நாம் அன்றாடம் காணும் உலகம்.  உதாரணமாக,  ஒரு டென்னிஸ் பந்தை எடுத்து ஒரு சுவர் மீது வீசினால், என்ன நடக்கும்? பந்து சுவரில் மோதி திரும்பி வரும். ஏனென்றால், பந்துக்கு சுவரைத் தாண்டிச் செல்ல போதிய ஆற்றல் இல்லை. இதை “கிளாசிக்கல் இயக்கவியல்” (classical mechanics) என்று அழைக்கலாம். ஐசக் நியூட்டன் போன்ற விஞ்ஞானிகள் 300 ஆண்டுகளுக்கு முன்பே விளக்கியுள்ளார்கள். இங்கு, நாம் பார்ப்பது திடமான பொருட்களை, அவை ஒரு இடத்தில் இருந்து இன்னொரு இடத்திற்கு செல்ல வேண்டுமானால், தடைகளைத் தாண்டி செல்ல வேண்டும் அல்லது உடைத்துக் கொண்டு போக வேண்டும். 

ஆனால், குவாண்டம் உலகம் அவ்வளவு எளிதல்ல. 20ஆம் நூற்றாண்டின் தொடக்கத்தில், விஞ்ஞானிகள் மிகச் சிறிய ‘நானோ’ அளவிலான அணுக்கள், எலக்ட்ரான்கள் போன்றவற்றின் உலகத்தை ஆராய்ந்தபோது, விந்தையான விஷயங்களைக் கண்டனர். இது “குவாண்டம் இயக்கவியல்” என்று அழைக்கப்படுகிறது. இங்கு, துகள்கள் (particles) “அலை” (wave) போல நடந்து கொள்கின்றன. ஒரு துகள் ஒரே சமயத்தில் இரண்டு இடங்களில் இருக்கலாம், அல்லது ஒரு தடையைத் தாண்டாமலேயே மறுபக்கம் செல்லலாம். இது எப்படி சாத்தியம்?  

உதாரணமாக, ஒரு எலக்ட்ரானை எடுத்துக் கொள்ளலாம். அது ஒரு சுவர் மாதிரியான ஆற்றல் தடையை (energy barrier) நோக்கி சென்றால், கிளாசிக்கலாக அது திரும்பி வர வேண்டும். ஆனால் குவாண்டம் உலகத்தில், எலக்ட்ரான் ஒரு அலையாக இருப்பதால், அதன் “இருப்பு வாய்ப்பு” (probability) சுவரின் உள்ளேயும், மறுபக்கத்திலும் பரவியிருக்கும். அதனால், சில சமயங்களில் அது சுவரை “ஊடுருவி” (tunnel) சென்று விடும். இதுதான் குவாண்டம் டன்னலிங்!

எடுத்துக்காட்டாக, நாம் ஒரு மலையைக்  கடக்க வேண்டும் என்றால், மலையேறி மறுபுறம் செல்ல வேண்டும். ஆனால் குவாண்டம் உலகத்தில், இது மலைக்குள் ஒரு சுரங்கம் (tunnel) இருந்தால் அதன் வழியாக சென்று விடுவது போல், அந்த சுரங்கம் இல்லாவிட்டாலும்! ஏனென்றால், நமது இருப்பு ஒரு அலையாக பரவியிருப்பதால், மற்றும் சில வாய்ப்பில் நம்மை மறுபக்கமும் காண முடியும்.

இந்த ஊடுருவல் ஏன் நடக்கிறது? குவாண்டம் இயக்கவியலில், துகள்களின் இருப்பை wave function என்ற கணித விளக்கத்தில் கணிக்க முடியும். ஆனால் எளிதாக சொன்னால், அது துகளின் இருப்பு வாய்ப்புகளை காட்டும். இந்த அலை தடையைத் தொட்டால், அது மிகவும் மெல்லியதாகி மறுபக்கம் சென்று விடும். இதன் விளைவு: துகள் தடையை உடைக்காமலேயே கடந்து செல்லும் (wave – particle duality).

குவாண்டம் டன்னலிங்கின் வரலாறு

குவாண்டம் டன்னலிங் என்ற கருத்தை முதலில் ஜார்ஜ் காமோவ் (George Gamow) என்ற விஞ்ஞானி விளக்கினார் (1928). அவர் இதை அணுக்கரு சிதைவு (nuclear decay)க்கு பயன்படுத்தினார். உதாரணமாக, ரேடியோஆக்டிவ் பொருட்களில், அணுக்கருவில் உள்ள ஆல்பா துகள் (alpha particle) வெளியே வர வேண்டும். ஆனால் அணுக்கரு சுவரைத் தாண்ட போதிய ஆற்றல் இல்லை. கிளாசிக்கலாக, அது உள்ளேயே இருக்க வேண்டும். ஆனால் ஊடுருவல் காரணமாக, அது சில சமயங்களில் வெளியே வருகிறது. இதனால் தான் ரேடியோஆக்டிவ் சிதைவு நடைபெறுகிறது. இந்த சிதைவின் வேகத்தை “ஹாஃப்-லைஃப்” (half-life), அதாவது, பாதி அணுக்கள் சிதைவதற்கு எடுக்கும் நேரத்தின் மூலம் கணிக்கலாம். இது வாய்ப்பு அடிப்படையிலானது, அதாவது, எப்போது நடக்கும் என்று சரியாக சொல்ல முடியாது, ஆனால் புள்ளியியல் ரீதியாக கணிக்கலாம். 

மற்றொரு உதாரணம், சூரியன் எப்படி ஒளிர்கிறது என்று அறிவதன் வழியாக. சூரியனின் உள்ளே, ஹைட்ரஜன் அணுக்கள் இணைந்து ஹீலியம் உருவாகின்றன (nuclear fusion). ஆனால் அணுக்கள் ஒன்றையொன்று அணுக போதிய ஆற்றல் இல்லை. குவாண்டம் டன்னலிங் காரணமாக அவை தடையை ஊடுருவி இணைகின்றன. இல்லையென்றால், சூரியன் ஒளிராது, நாம் இருக்க மாட்டோம்!

இன்னொரு பௌதீக சம்பந்தமான எடுத்துக்காட்டு, லியோ எசாகி (Leo Esaki)யால் கண்டுபிடிக்கப்பட்ட டன்னல் டயோடு (tunnel diode). இதற்காக இவர் 1973ல் நோபல் பரிசு பெற்றார். இந்த செமிகண்டக்டர் சாதனத்தில், எலக்ட்ரான்கள் டன்னலிங் மூலம் செல்வதால், இது விரைவான on-off சுவிச்சுக்குப் பயன்படுகிறது. ஆனால் இவை எல்லாம் மிகச் சிறிய அளவில் (microscopic) நடக்கின்றன. 

அப்படியானால், பெரிய அளவில் (macroscopic) இது சாத்தியமா என்ற கேள்வி எழுகிறது? பொதுவாக இல்லை. ஏனென்றால், பந்து போன்ற பெரிய பொருட்கள் கோடிக் கணக்கான அணுக்களால் ஆனவை. ஒவ்வொரு அணுவும் தனித்தனியாக நடந்து கொண்டால், குவாண்டம் விளைவுகள் சராசரியாகி காணாமல் போய்விடும். அதாவது ஒரு பந்து சுவரை ஊடுருவாது, ஏனென்றால் அதன் அலைகள் எல்லாம் ஒன்றாக இணைந்து கிளாசிக்கலாக நடக்கின்றன.

குவாண்டம் உலகத்தை பெரிதாக்குவைத்து எப்படி?

இங்குதான் சூப்பர்கண்டக்டர்கள் (superconductors) வருகின்றன. சூப்பர்கண்டக்டர்கள் என்பது மிகக் குறைந்த வெப்பநிலையில் (கிட்டத்தட்ட absolute zero, -273°C அருகில்) மின்சாரத்தை எந்த எதிர்ப்பும் இல்லாமல் கடத்தும் பொருட்கள். இதை முதலில் 1911இல் Heike Kamerlingh Onnes என்பவர் பாதரசத்தில் கண்டுபிடித்தார்.

இந்த நிகழ்வை விளக்கியதற்காக, ஜான் பார்டீன், லியோன் கூப்பர், ஜான் ஷ்ரிஃபர் (Bardeen, Cooper, Schrieffer – BCS theory) என்ற மூவரும் 1972ல் நோபல் பரிசு பெற்றனர். சூப்பர்கண்டக்டர்களில், எலக்ட்ரான்கள் “கூப்பர் ஜோடிகள்” (Cooper pairs) ஆக இணைவதால், தனித்தன்மை இழந்து ஒரு பெரிய அலையாக (collective wave) செயல்படுகின்றன. இதனால், மின்சாரம் எதிர்ப்பின்றி ஓடுகிறது.

இரண்டு சூப்பர்கண்டக்டர்களுக்கு இடையே ஒரு மெல்லிய இன்சுலேட்டர் (insulator) இருக்கும் பொது, அது  ஜோசஃப்சன் ஜங்க்ஷன் (Josephson junction) ஆகும். இங்கு, கூப்பர் ஜோடிகள் இன்சுலேட்டரை டன்னலிங் மூலம் கடக்கின்றன, மின்னோட்டம் பாய்கிறது – ஆனால் வோல்டேஜ் இல்லாமல்! இதற்காக பிரையன் ஜோசஃப்சன் 1973ல் நோபல் பரிசு பெற்றார். 

2025 நோபல் பரிசு :”மின்சுற்றில் மேக்ரோஸ்கோபிக் குவாண்டம் டன்னலிங் மற்றும் ஆற்றல் அளவீட்டைக் கண்டுபிடித்ததற்காக”

இப்போது, கிளார்க், டெவோரெட், மார்டினிஸ் என்ன செய்தார்கள் என்று பார்க்கலாம். அவர்கள் 1980களில், ஒரு கையில் பிடிக்கக்கூடிய அளவு கொண்ட சூப்பர்கண்டக்டிங் மின்சார சுற்றை உருவாக்கினர். ஆனால், அதற்குள் கோடிக் கணக்கான கூப்பர் ஜோடிகள் உள்ளன. இந்த ஜோடிகள் எல்லாம் ஒரே அலையாக (shared wave function) செயல்படுகின்றன – அதாவது, அவை ஒரு “பெரிய துகள்” போல!

இந்த சுற்றில், மின்னோட்டம் ஜீரோ வோல்டேஜ் நிலையில் (zero-voltage state) இருக்கும். இது ஒரு off ஸ்விட்ச் போல, ஒரு ஆற்றல் தடைக்கு பின்னால் சிக்கியிருக்கும். கிளாசிக்கலாக, அது அங்கேயே இருக்கும். ஆனால் குவாண்டம் டன்னலிங் காரணமாக, முழு சிஸ்டமும் தடையை ஊடுருவி, வோல்டேஜ் உருவாகும் நிலைக்கு (voltage-generating state) சென்று விடும். 

அவர்கள் இந்த ஜீரோ வோல்டேஜ் நிலை எவ்வளவு நேரம் நீடிக்கும் என்று அளவிட்டனர். இது வாய்ப்பு அடிப்படையிலானது. பல பரிசோதனைகளில், அவர்கள் புள்ளியியல் தரவுகளை சேகரித்து, இது உண்மையான குவாண்டம் டன்னலிங் என்று உறுதிப்படுத்தினர்.

மேலும், microwaves செலுத்தி, சிஸ்டம் ஆற்றலை உறிஞ்சுவதை அறிந்தனர். ஆற்றல் தொகுப்புகளாக (quanta) மட்டுமே உறிஞ்சப்பட்டது, தொடர்ச்சியாக இல்லை. இது குவாண்டம் உலகின் அடிப்படை – ஆற்றல் படிகள் போல (steps) வரும். 

உதாரணமாக, ஒரு lever “ஆஃப்” நிலையில் ஒரு தடைக்கு பின்னால் சிக்கியிருக்கிறது. நாம் அதை “ஆன்” செய்ய வேண்டும். கிளாசிக்கலாக, தடையை உடைக்க வேண்டும். ஆனால் குவாண்டம் உலகத்தில், லீவர் தானாக தடையை ஊடுருவி “ஆன்” ஆகி விடும். இங்கு, முழு சுற்றும் அந்த லீவர் போல! 

இங்கு எர்வின் ஷ்ரோடிங்கர்(1935) செய்த சிந்தனை பரிசோதனை, அதாவது Schrödinger’s catஐ நினைவு கொள்ள வேண்டும். ஒரு பூனை ஒரு பெட்டியில்  உள்ளது. ரேடியோஆக்டிவ் சிதைவு நடந்தால் விஷம் வெளியாகும். குவாண்டம் கோட்பாடு படி, சிதைவு வாய்ப்பு அடிப்படையிலானது, அதனால் பூனை உயிருடன் மற்றும் இறந்த நிலையில் ஒரே சமயத்தில் இருக்கும் (superposition). ஆனால் நாம் பார்க்கும்போது, ஒன்று மட்டும் தான் நடக்கும். இந்த பரிசோதனை, குவாண்டம் உலகம் பெரிய அளவில் விந்தையானது என்று காட்டியது. இந்த நோபல் வென்றவர்களின் சுற்று, அந்த பூனை போல – ஆனால் உண்மையானது! அது பூனையை விட சிறியது, ஆனால் மேக்ரோஸ்கோபிக், மற்றும் “செயற்கை அணு” (artificial atom) போல செயல்படுகிறது. 

இந்த கண்டுபிடிப்பின் பயன்பாடுகள்

முதலில், இது குவாண்டம் உலகத்தை புரிந்து கொள்ள உதவுகிறது. குவாண்டம் எப்படி கிளாசிக்கலாக மாறுகிறது (quantum-to-classical transition) என்று ஆராயலாம்.

ஜோசஃப்சன் ஜங்க்ஷன்கள் இப்போது SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices) என்ற சாதனங்களில் பயன்படுகின்றன. இவை மிகச் சிறிய காந்தப்புலங்களை அளக்கின்றன (5 X 10 -18 Tesla). 

மருத்துவத்தில் MRI ஸ்கேனர்களில் (~1 Tesla), பூமியின் காந்தப்புல (5 X 10 -5 Tesla) ஆராய்ச்சியிலும் பயன்படுகின்றன.

ஜான் மார்டினிஸ் பின்னர் இந்த தொழில்நுட்பத்தை பயன்படுத்தி குவாண்டம் பிட்கள் (qubits) உருவாக்கினார். இந்த சுற்றில், ground state 0 ஆகவும், முதல் excited state 1 ஆகவும் இருக்கும். இந்தக் கண்டுபிடிப்புகள் குவாண்டம் கம்ப்யூட்டிங்கின் அடிப்படையாக அமைந்துள்ளன, ஏனெனில் அவை சூப்பர்கண்டக்டிங் சுற்றுகளில் குவாண்டம் பிட்ஸ்களை உருவாக்கி, அதன் மூலம் குவாண்டம் கணக்கீட்டின் யதார்த்தமாக்கலை எளிதாக்குகின்றன. இதன் தாக்கம் செயற்கை அறிவியல் (AI) துறையிலும் பெரியது. குவாண்டம் கம்ப்யூட்டிங் AI-யின் சிக்கலான அல்காரிதம்களை விரைவாகப் பயிற்றுவிக்க உதவி, பெரிய தரவுகளை பகுப்பாய்வு செய்யும் திறனை மேம்படுத்தி, மருத்துவம், பொருளாதாரம் மற்றும் காலநிலை மாதிரிகளில் புதுமைகளைத் தாங்குகிறது. இந்தப் பரிசு, குவாண்டம் டெக்னாலஜி மற்றும் AI-யின் ஒருங்கிணைந்த எதிர்காலத்தை விரிவுபடுத்தும் தூண்டுதலாக அமைகிறது.

இது அறிவியல் உலகத்தை மாற்றியுள்ளது. இப்போது, விஞ்ஞானிகள் இந்த “செயற்கை அணுக்களை” பயன்படுத்தி, உண்மையான அணுக்களை simulate செய்யலாம் – ஏனென்றால் அவை பெரியவை, கம்பிகளால் இணைக்கலாம்.

இந்த பரிசோதனைகள் எளிதல்ல. மிகக் குறைந்த வெப்பநிலை தேவை (milliKelvin), ஏனென்றால் வெப்பம் குவாண்டம் விளைவுகளை அழிக்கும். மேலும், இந்த அமைப்புகள் உணர்திறன் மிக்கவை, வெளி தொந்தரவுகள் (noise) இருந்தால் டன்னலிங் தவறாகலாம்.

எதிர்காலத்தில், இது சென்சார்கள், என்க்ரிப்ஷன், அல்லது புதிய பொருட்கள் போன்ற குவாண்டம் தொழில்நுட்பங்களை மேம்படுத்தும் என எதிர்பார்க்கலாம்.

மேலும்

• Popular science background: Quantum properties on a human scale (pdf)
• Populärvetenskaplig information: Kvantegenskaper på mänsklig skala (pdf)
• John Clarke
• Michel H. Devoret
• John M. Martinis

சென்ற ஆண்டிற்கான பரிசு

இயந்திர கற்றல் முன்னோடிகளுக்கு 2024 இயற்பியல் நோபல் பரிசு

நேற்றைய பரிசு

உடலியல் அல்லது மருத்துவத்திற்கான நோபல் பரிசு 2024