2025 का नोबेल भौतिकी पुरस्कार
(nobelprize.org)- John Clarke, Michel H. Devoret, John M. Martinis ने पारंपरिक रूप से केवल सूक्ष्म स्तर पर संभव क्वांटम घटनाओं को इतने बड़े सिस्टम में साकार किया कि उन्हें हाथ में पकड़ा जा सके
- इन्होंने superconducting electrical circuits के माध्यम से कई कणों से बने सिस्टम में macroscopic quantum tunneling और energy quantization को प्रत्यक्ष रूप से सिद्ध किया
- प्रयोग में सिस्टम tunneling के जरिए अपनी अवस्था बदलता है, और ऊर्जा को केवल निश्चित मात्राओं में ही अवशोषित या उत्सर्जित करता है
- यह शोध macroscopic scale पर देखे जा सकने वाले quantum effects और उनके सैद्धांतिक व प्रायोगिक महत्व की गहरी समझ प्रदान करता है
- यह उपलब्धि quantum technology के विकास और quantum computer के साकार होने की बुनियाद रखने वाला महत्वपूर्ण प्रायोगिक प्रमाण है
क्वांटम गुण, मानव-स्तर के आकार पर अवलोकित
2025 के नोबेल भौतिकी पुरस्कार के विजेता John Clarke, Michel H. Devoret, John M. Martinis ने प्रयोगों के माध्यम से सिद्ध किया कि क्वांटम दुनिया की विचित्र घटनाएँ ऐसे सिस्टम में भी दिखाई दे सकती हैं जो इतने बड़े हों कि उन्हें हाथ में पकड़ा जा सके। इनके द्वारा बनाए गए superconducting electrical circuits अवस्थाओं के बीच tunneling दिखाते हैं, मानो वे किसी दीवार को भेदकर आगे बढ़ रहे हों। साथ ही, ये सर्किट quantum mechanics की भविष्यवाणियों के अनुरूप केवल निश्चित परिमाण की ऊर्जा ही अवशोषित या उत्सर्जित करते हैं।
क्रांतिकारी प्रयोगों की श्रृंखला
- quantum mechanics व्यक्तिगत कणों के स्तर पर घटनाओं की व्याख्या करती है, लेकिन रोज़मर्रा की macroscopic phenomena में quantum effects दिखाई नहीं देते
- लेकिन Clarke, Devoret और Martinis ने superconductors से बने electrical circuits में यह प्रायोगिक रूप से सत्यापित किया कि बहुत से कण एक विशाल कण की तरह चलते हुए macroscopic quantum tunneling प्रदर्शित कर सकते हैं
- यह घटना, परमाणु क्षय जैसे मौजूदा quantum tunneling के उपयोग-उदाहरणों से अलग, ऐसे सिस्टम में देखी गई जिसमें अरबों कण एक साथ समन्वित गति करते हैं
- प्रायोगिक सर्किट में दो superconductors और उनके बीच चालकता वाले पतले इन्सुलेटिंग अवरोध (Josephson junction) रखे गए, जिससे Cooper pair की सामूहिक गति को एकल wave function के रूप में वर्णित किया गया
सुरंग और सीमाओं को पार करती quantum mechanics
- quantum tunneling एकल कणों में पहले से अच्छी तरह ज्ञात प्रभाव है, लेकिन इस बार के विजेताओं ने सिद्ध किया कि यह अनेक कणों में एक साथ, macroscopic स्तर पर भी प्रकट हो सकता है
- Cooper pair एक ही quantum state में बंधे होते हैं, इसलिए उन्हें एक विशाल कण और सामूहिक wave function, दोनों रूपों में वर्णित किया जा सकता है
- Josephson junction quantum phenomena के अध्ययन का एक प्रमुख अवयव है, जो दो superconductors के बीच पतले insulating region के माध्यम से wave function की पारस्परिक क्रिया और macroscopic quantum effects की खोज के लिए प्रयोग संभव बनाता है
शोध समूह की प्रायोगिक चुनौती
- John Clarke ने Berkeley में superconductors और Josephson junction से जुड़ी विविध भौतिकी पर शोध का नेतृत्व किया
- Michel Devoret ने postdoctoral researcher के रूप में और John Martinis ने doctoral student के रूप में Clarke के साथ सहयोग किया। इन तीनों ने macroscopic quantum tunneling के प्रायोगिक प्रमाण और उच्च-सटीकता मापन हासिल किए
- प्रयोग में Josephson junction को बहुत कम धारा दी गई, जहाँ शुरुआत में 0 volt अवस्था देखी गई; फिर कुछ समय बाद tunneling के कारण वोल्टेज उत्पन्न होने वाले quantum परिवर्तन को संख्यात्मक रूप से दर्ज किया गया
- उसी प्रयोग को कई बार दोहराकर statistical data संचित किया गया, और परमाणु क्षय के half-life मापन की तरह tunneling waiting time के वितरण का विश्लेषण किया गया
energy quantization और प्रायोगिक सटीकता
- प्रायोगिक परिणामों से पुष्टि हुई कि Cooper pair का समूह एक विशाल कण की तरह एक साथ energy state change करता है, और केवल निश्चित मात्रा की ऊर्जा को अवशोषित या उत्सर्जित करने वाली energy quantization भी मौजूद है
- microwave डालकर इसे ऊँची energy state में उठाने पर सिस्टम में tunneling waiting time में कमी देखी गई, जो quantum mechanics की भविष्यवाणियों के अनुरूप है
व्यावहारिक और सैद्धांतिक महत्व
- मौजूदा macroscopic quantum phenomena, जैसे laser, superconductivity और superfluidity, पदार्थ के व्यक्तिगत quantum गुणों के संयुक्त परिणाम हैं। लेकिन इस प्रयोग ने सिद्ध किया कि विशाल सामूहिक तंत्र स्वयं quantum state में हो सकता है
- यह प्रयोग Schrödinger’s cat जैसे विचार-प्रयोग की याद दिलाता है, और सिद्ध करता है कि बहु-कणीय समूह वास्तव में quantum mechanics के नियमों का पालन करते हैं
- macroscopic quantum states artificial atom जैसे नए प्रायोगिक प्लेटफ़ॉर्म और quantum computer के qubit कार्यान्वयन जैसी उन्नत तकनीकों की नींव बनते हैं
- विशेष रूप से John Martinis ने इन प्रायोगिक उपलब्धियों के आधार पर qubit के 0 और 1 states को सर्किट में सीधे लागू करने वाले quantum computer experiments भी प्रस्तुत किए
निष्कर्ष
- 2025 का नोबेल भौतिकी पुरस्कार Clarke, Devoret और Martinis को macroscopic electrical circuits में quantum tunneling और energy quantization को पहली बार प्रायोगिक रूप से सिद्ध करने के लिए प्रदान किया गया
- इस शोध ने quantum mechanics की प्रायोगिक और सैद्धांतिक प्रगति के साथ-साथ नई तकनीकी दिशाओं के खुलने का मार्ग प्रशस्त किया
अतिरिक्त जानकारी
- इस वर्ष के नोबेल पुरस्कार से जुड़ी अधिक विस्तृत वैज्ञानिक पृष्ठभूमि सामग्री www.kva.se और www.nobelprize.org पर उपलब्ध है
- Press conference, lectures, exhibitions आदि की जानकारी www.nobelprizemuseum.se पर मिल सकती है
2025 के नोबेल भौतिकी पुरस्कार विजेता
- John Clarke: 1942 में Cambridge, United Kingdom में जन्म, 1968 में University of Cambridge से PhD, वर्तमान में University of California, Berkeley में प्रोफेसर
- Michel H. Devoret: 1953 में Paris, France में जन्म, 1982 में Paris-Sud University से PhD, वर्तमान में Yale University/University of California, Santa Barbara में प्रोफेसर
- John M. Martinis: 1958 में जन्म, 1987 में University of California, Berkeley से PhD, वर्तमान में University of California, Santa Barbara में प्रोफेसर
“विद्युत परिपथों में macroscopic quantum tunneling और energy quantization की खोज”
1 टिप्पणियां
Hacker News की राय
मैंने Nobel Prize विजेता से electronics सीखी थी
मेरी physics career और PhD के दौरान analog electronics सबसे कठिन और साथ ही सबसे rewarding classes में से एक थी
मुझे याद है कि filter को काम कराने के लिए मैं पूरी रात lab में जूझता रहता था, कुछ घंटे सोकर सूर्योदय से पहले फिर lab पहुँच जाता था
ज़्यादातर इसकी वजह टालमटोल थी, लेकिन वह दौर सच में शानदार यादें छोड़ गया
उस समय जो concept मुझे सबसे कम समझ आता था, वह current source था
voltage source परिचित था, लेकिन current source किसी जादू जैसा लगता था
मैंने Professor Martinis से सवाल किया, लेकिन ऐसा लगा कि उन्हें समझ ही नहीं आया कि मैं इसे क्यों नहीं समझ पा रहा था
सही जवाब है feedback (feedback control)
एक अच्छा voltage source भी feedback माँगता है
Professor को feedback इतना स्वाभाविक लगता था कि उन्होंने यह बताया ही नहीं कि वही असली कुंजी है, जबकि मैंने control का concept ही पहले कभी नहीं सुना था
अंत में मैंने Professor की lab में undergraduate researcher के तौर on apply किया, लेकिन reject हो गया
निजी तौर पर मुझे लगता है कि current source के concept को न समझ पाना इसकी वजह थी, लेकिन यह भी हो सकता है कि मैंने देर से apply किया हो, या फिर A- grade (टालमटोल की वजह से) कारण रहा हो
आखिरकार मैं एक biophysics researcher के पास गया, और वहीं से मेरी राह पूरी तरह बदलकर biophysicist बनने की हो गई
अब पीछे मुड़कर देखता हूँ तो खुद को भाग्यशाली मानता हूँ
मुझे कभी नहीं लगा था कि biophysics मेरी ज़िंदगी का एक हिस्सा बनेगी
बेशक, अगर मैं quantum matter या QI/QC field में गया होता तो वह भी मज़ेदार हो सकता था
इन दिनों मैं Mike and Ike (textbook) से पढ़ रहा हूँ और यह मुझे बहुत दिलचस्प लग रही है
PhD के बाद मैंने industrial control & automation startup की co-founding की
अब मैं feedback, और current source, दोनों को काफ़ी अच्छी तरह समझता हूँ (समय लगा, लेकिन आख़िरकार सीख लिया)
(वैसे, यह बात भी अहम है कि अच्छा voltage source resistance को adjust करता है, और अच्छा current source voltage को adjust करता है। शायद current source मुझे इसलिए ज़्यादा कठिन लगा क्योंकि मैं voltage source (battery) का बहुत आदी था। सच कहूँ तो मुझे इसे और अधिक आलोचनात्मक नज़र से देखना चाहिए था। बाद में यह भी समझ आया कि ideal voltage source (बहुत high resistance) बनाना अपेक्षाकृत आसान है, लेकिन ideal current source (0 resistance) बनाना सच में बहुत कठिन है)
"अच्छा voltage source resistance को adjust करता है, और अच्छा current source voltage को adjust करता है" वाली बात थोड़ी confusing लग सकती है
मैं पूछना चाहता हूँ कि क्या आपका मतलब यह है कि voltage source current को, और current source voltage को control करता है (शायद इसका बहुत मतलब न हो, लेकिन जिज्ञासा में पूछ रहा हूँ)
अगर आप एक ideal current source बनाकर उसे 50mA पर सेट कर दें और फिर किसी को उससे चुभो दें, तो वह काफ़ी डरावना लगेगा
मैंने "अच्छी तरह समझता हूँ*" लिखा था, वह typo था (अफसोस कि edit नहीं कर सका)
feedback के बिना भी एक inefficient लेकिन fixed current source बनाया जा सकता है
Fred Ramsdell ने इस बार 2025 का Nobel Prize in Physiology or Medicine जीता है
कहा जा रहा है कि वह अभी पूरी तरह "off-grid" hiking पर हैं, इसलिए संपर्क नहीं हो पा रहा
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Devoret और Martinis भी वास्तव में quantum engineering को एक नए स्तर पर ले जा रहे हैं
Devoret, Google Quantum AI में हैं, और Martinis, Qolab में काम कर रहे हैं
मेरा एक दोस्त Devoret के साथ PhD कर रहा है, और मैं Martinis के साथ काम करने वाले लोगों को भी जानता हूँ
इस Nobel Prize के बाद दोनों को बहुत से invited talks और keynote requests मिलेंगी, इसलिए सोच रहा हूँ कि क्या अपने advisor का चेहरा फिर देख पाऊँगा
invited talks ज़्यादातर व्यक्ति अपनी पसंद से चुन सकता है, लेकिन एक अपवाद है
Nobel Prize के नियमों के मुताबिक, विजेता को Nobel selection institution द्वारा तय विषय पर 6 महीने के भीतर कम से कम एक lecture ज़रूर देना होता है
2024 का Nobel Prize in Physics lecture भी award ceremony से ठीक पहले हुआ था, और उसे Sweden के educational broadcast channel और YouTube पर देखा जा सकता है
संबंधित वीडियो लिंक
Devoret को Schoelkopf के बिना अकेले spotlight में देखना थोड़ा असामान्य लगता है
UCSB physics department में समय बिताते हुए मैं Professor Martinis से मिला था
Professor Martinis experimental physicists में भी ऐसे व्यक्ति थे जिन्हें electronics और instrumentation की जानकारी सामान्य electrical engineering majors से कहीं अधिक थी
उन्होंने अपने विकसित किए हुए circuits, documents, CAD files वगैरह को wiki के रूप में साझा किया था, और electronic equipment control के लिए open source software भी जारी किया था
UCSB को फिर से Nobel Prize मिलता देख गर्व होता है
यह भी ज़िक्र होना चाहिए कि Martinis को Nobel Prize दिलाने वाला ज़्यादातर research NIST (U.S. National Institute of Standards and Technology, Department of Commerce के अंतर्गत) में किया गया था
अगर आप समझना चाहते हैं कि ये quantum phenomena और macroscopic quantum effects इतने महत्वपूर्ण और दिलचस्प क्यों हैं, तो मैं Anil Ananthaswany की “Through Two Doors at Once” recommend करना चाहूँगा
University of California, Berkeley और University of Cambridge को लगातार शानदार Nobel Prize विजेता alumni की सूची बढ़ाते देखना अच्छा लगता है
Paris-Sud University का नाम मैंने पहली बार सुना है, और लगता है कि यह उस institution से निकला चौथा Nobel Prize विजेता है
कई बार education और research institutions अलग-अलग होते हैं, और बहुत-सा research व degree कई universities/research institutions के joint effort से बनते हैं
उदाहरण के लिए, एक ही lab को 5 schools और 3 national research institutes मिलकर चला सकते हैं, और कोई student कई institutions के joint degree program के ज़रिए अलग-अलग schools के नाम से degree भी पा सकता है
इसलिए बाहर के व्यक्ति के लिए उसकी पूरी संरचना समझना कठिन हो सकता है
मेरा एक artsy-सा सवाल है
"दीवार पर फेंकी गई गेंद हमेशा उछलकर लौट आती है, लेकिन सूक्ष्म दुनिया के कण किसी बाधा को आर-पार करके दूसरी तरफ दिखाई दे सकते हैं। इसे tunneling कहते हैं"
मैं जानना चाहता हूँ कि क्या इसका मतलब यह है कि कण वास्तव में दीवार से टकराए बिना किसी सूक्ष्म जगह से निकल जाता है, या फिर इससे भी ज़्यादा अजीब कुछ हो रहा है
यह बिल्कुल भी बेवकूफ़ी भरा सवाल नहीं है
classical तौर पर हम कल्पना कर सकते हैं कि कण किसी तरह दीवार के इर्द-गिर्द से निकल गया
लेकिन quantum mechanics में tunneling पूरी तरह अलग अवधारणा है
यहाँ "दीवार" किसी असली ठोस वस्तु की बजाय energy barrier को दर्शाती है
classical physics में अगर कण के पास उस barrier को पार करने लायक energy नहीं है, तो वह कभी पार नहीं कर सकता, लेकिन quantum mechanics में कण wave-like nature रखता है, और उसकी wavefunction की amplitude barrier के भीतर से गुजरते हुए घटती ज़रूर है, पर 0 नहीं होती
नतीजतन barrier के दूसरी तरफ भी कण के मौजूद होने की संभावना बहुत छोटी सही, लेकिन बनी रहती है, इसलिए measurement में वह वास्तव में दूसरी तरफ मिल सकता है
इस Nobel Prize के पीछे वाले experiment की बड़ी बात यह है कि इसमें electron जैसे single particle नहीं, बल्कि एक shared macroscopic wavefunction वाले बहुत-से particles के एक साथ tunnel करने को मापा गया
ये barrier के आर-पार फैली हुई wavefunction के साथ एक जुड़े हुए 'coherent state' में थे, और इसी वजह से barrier के दूसरी तरफ भी पर्याप्त probability amplitude बची रही, जिससे observation संभव हो सका
हाँ, यह और भी अजीब घटना है
मान लीजिए एक particle low-energy state A में है, और उसे बीच के high-energy state B से होकर फिर low-energy state C तक जाना है
classical रूप से बाहरी energy के बिना वह A से C तक नहीं जा सकता, लेकिन वास्तव में यह देखा जाता है कि particle बिना energy लिए जैसे teleport होकर C में पहुँच जाता है
तब सवाल बचता है कि क्या particle सच में B से होकर गुज़रा भी था या नहीं (व्यवहारिक समझ के लिए कहें तो मानिए कि वह B से होकर नहीं गया)
इसका एक simplified version "potential barrier" की अवधारणा जैसा है
जैसे किसी गेंद के सामने एक पहाड़ी (energy barrier) हो और उसके पास उसे पार करने की पर्याप्त रफ़्तार न हो, वैसे ही classical mechanics में particle को barrier पार करने के लिए पर्याप्त energy चाहिए
लेकिन quantum में, energy कम होने पर भी wavefunction barrier के भीतर exponentially decay करती हुई पूरी तरह 0 नहीं होती, और इसलिए दूसरी तरफ particle मिलने की संभावना मौजूद रहती है
quantum mechanics में "गेंद" (या ideal particle) के साथ एक wavefunction जुड़ी होती है
अगर आप इस wavefunction की गणना करें, तो दीवार के दूसरी तरफ भी particle के मौजूद होने की संभावना 0 नहीं निकलती
शायद इसकी और भी गहरी व्याख्या हो सकती है, लेकिन मेरी समझ में बात इतनी ही है
यहाँ जिस "single particle" की बात हो रही है, वह हमारे परिचित classical गेंद जैसा particle नहीं, बल्कि एक "quantum object" है, जो स्थिति के अनुसार wave भी और particle भी की तरह व्यवहार करता है
यह निश्चित ही रहस्यमय विचार है
मैंने आज सुबह New York Times का लेख भी पढ़ा, लेकिन उससे संतुष्ट नहीं हुआ
इसलिए मैं बेहतर जानकारी के लिए HN पर आया, और सचमुच मुझे यहाँ बेहतर लेख और बेहतर व्याख्याएँ मिलीं, जिससे संतोष हुआ
यहाँ साझा किया गया लेख high-school स्तर का है, लेकिन एक retired physics PhD के नाते मैं experiment और theory दोनों को अच्छी तरह समझ पाया
हर साल Nobel Prize in Physics में किस तरह की groundbreaking discovery पर ध्यान जाएगा, यह देखने की उत्सुकता रहती है
आगे भी नए developments के बारे में सीखने का विचार रोमांचक लगता है