குவண்டம்(Quantum): Part 01

 

"குவாண்டம்" என்பது பௌதிகவியலில் ஒரு அடிப்படைக் கருத்தாகும். இலத்தீன் மொழியில் "குவாண்டம்" என்றால் "எவ்வளவு" அல்லது "ஒரு குறிப்பிட்ட அளவு" என்பது பொருள். இது பௌதிகவியலில் ஆற்றல், உந்தம் அல்லது பிற பௌதிகவியல் அளவுகளின் சிறிய, பிரிக்க முடியாத துண்டு/தொகுதி ஆகும்.

 

குவாண்டம் கோட்பாடு(Quantum theory)

ஆற்றல் என்பது தனித்தனி பொட்டலங்கள் (quanta) ஆகவே உள்ளது. உதாரணமாக ஒளி என்பது ஃபோட்டான்கள் எனப்படும் சிறிய ஆற்றல் பொட்டலங்களால் ஆனது.

 

குவாண்டம் பௌதிகவிய;பௌதிகவியலின் முக்கிய கருத்துகள்:

1.   அலை-துகள் இரட்டைத்தன்மை (Wave-Particle Duality) – இலத்திரன்கள் போன்ற நுண்ணிய துகள்கள் சில வேளைகளில் துகள் போலவும், சில வேளைகளில் அலை போலவும் நடந்துகொள்ளும்.

2.      மேற்பொருந்துகை (Superposition) – ஒரு குவாண்டம் துகள் ஒரே நேரத்தில் பல நிலைகளில் இருக்க முடியும். நாம் அதைக் கவனிக்கும்போது மட்டுமே அது ஒரு குறிப்பிட்ட நிலையில் இருப்பது போன்று தோன்றும்.

3.      பின்னல் (Entanglement) – இரண்டு துகள்கள் இணைக்கப்பட்டால், அவை எவ்வளவு தூரத்தில் இருந்தாலும் ஒன்றின் நிலை மற்றொன்றை உடனடியாகப் பாதிக்கும்.

 

நிச்சயமற்ற தன்மைக் கோட்பாடு (Uncertainty Principle): ஒரு துகளின் இடத்தையும் அதன் வேகத்தையும் ஒரே நேரத்தில் மிகத் துல்லியமாகக் கணக்கிட முடியாது என ஹெய்சன்பெர்க் விளக்கினார்.

 

பௌதிகவியல் என்பது இயற்கையில் நடைபெறும் நிகழ்வுகளைப் புரிந்து கொள்ள உதவும் ஒரு முக்கியமான அறிவியல் துறை ஆகும். இதன் கீழ் இரண்டு முக்கிய பிரிவுகள் உள்ளன: பாரம்பரிய பௌதிகவியல் (Classical Physics) மற்றும் குவாண்டம் பௌதிகவியல் (Quantum Physics). இவ்விரண்டிற்கும் இடையிலான வேறுபாட்டை எளிதாக புரிந்து கொள்ள “படிக்கட்டு” என்ற உதாரணம் மிகவும் பயனுள்ளதாகும்.

 

பாரம்பரிய பௌதிகவியலின்படி, ஒரு மனிதன் ஒரு சரிவான மேடையில் நடப்பதாகக் கருதலாம். அவர் எந்த உயரத்திலும் நிற்க முடியும். அதாவது, உயரம் தொடர்ச்சியான (continuous) தன்மையுடையது. உதாரணமாக, 1 மீட்டர், 1.25 மீட்டர், 1.333 மீட்டர் போன்ற எண்ணற்ற மதிப்புகளில் ஒருவர் நிற்க முடியும். இதனால், பாரம்பரிய பௌதிகவியல் உலகில் அளவுகள் அனைத்தும் தொடர்ச்சியாக மாறக்கூடியவை என்பதைக் காட்டுகிறது.

 

ஆனால், குவாண்டம் பௌதிகவியல் முற்றிலும் வேறுபட்ட கருத்தை முன்வைக்கிறது. இதில், ஒருவர் ஒரு படிக்கட்டில் ஏறுவதாகக் கருதப்படுகிறது. அந்த நிலையில், அவர் படிகளில் மட்டுமே நிற்க முடியும்; இரண்டு படிகளுக்கிடையில் உள்ள இடத்தில் நிற்க முடியாது. இதன் பொருள், உயரம் தனித்தனி நிலைகளாக (discrete levels) மட்டுமே இருக்கும். ஒவ்வொரு படியும் ஒரு “குவாண்டம்” எனக் கருதப்படுகிறது.

 

இந்தக் கருத்து அணுவியல் உலகில் மிகவும் முக்கியமானதாகும். ஒரு அணுவில் உள்ள இலத்திரன்கள் (electrons) எந்தவொரு எரிசக்தி நிலைகளிலும் இருக்க முடியாது. அவை குறிப்பிட்ட சில சக்தி நிலைகளில் மட்டுமே இருக்க முடியும். எலக்ட்ரான் ஒரு நிலைமாற்றம் செய்யும்போது, அது ஒரு சக்தி நிலையில் இருந்து  மற்றொரு சக்தி நிலைக்கு திடீரென பாய்கிறது (jump). இந்த மாற்றம் நடுவில் இல்லாமல், ஒரே நேரத்தில் நிகழ்கிறது.

 

மேலும், இலத்திரன்கள் மேல்நிலைக்கு செல்லும்போது அது சக்தியை  உட்கொள்கிறது (absorption), மற்றும் கீழ்நிலைக்கு திரும்பும்போது சக்தியை ஒளியாக வெளியிடுகிறது (emission). இந்த சக்தி மாற்றங்களின் காரணமாகவே பல்வேறு நிறங்களைக் கொண்ட ஒளிகள் உருவாகின்றன. உதாரணமாக, LED விளக்குகள் மற்றும் sodium vapor lamps போன்றவை இந்தக் குவாண்டம் மாற்றங்களின் அடிப்படையில் செயல்படுகின்றன.

 

இதனால், குவாண்டம் பௌதிகவியலின் முக்கியக் கருத்து என்னவெனில், இயற்கையில் உள்ள சில அளவுகள் தொடர்ச்சியாக இல்லாமல், தனித்தனி “குவாண்டம்” நிலைகளாக மட்டுமே இருக்கும் என்பதாகும். இதுவே பாரம்பரிய பௌதிகவியலிலிருந்து குவாண்டம் பௌதிகவியலை வேறுபடுத்தும் முக்கிய அம்சமாகும்.

குவாண்டம் தொழில்நுட்பத்தின் பயன்பாடுகள்

 

குவாண்டம் பௌதிகவியல் அடிப்படையில் உருவாகியுள்ள குவாண்டம் தொழில்நுட்பம் (Quantum Technology) இன்று அறிவியல் மற்றும் தொழில்நுட்ப வளர்ச்சியில் முக்கிய இடத்தைப் பெற்றுள்ளது. மிகச் சிறிய அளவிலான (atomic மற்றும் subatomic) துகள்களின் நடத்தையைப் பயன்படுத்தி, பாரம்பரிய முறைகளை விட அதிக திறன் மற்றும் பாதுகாப்புடன் செயல்படும் புதிய தொழில்நுட்பங்கள் உருவாக்கப்பட்டுள்ளன.

 

முதலாவதாக, குவாண்டம் கணினிகள் (Quantum Computers) மிகப் பெரிய மாற்றத்தை ஏற்படுத்துகின்றன. பாரம்பரிய கணினிகள் “bits” (0 அல்லது 1) பயன்படுத்தும் நிலையில், குவாண்டம் கணினிகள் “qubits” பயன்படுத்துகின்றன. இவை ஒரே நேரத்தில் பல நிலைகளில் இருக்க முடியும் (superposition). இதனால், மிகவும் சிக்கலான கணக்கீடுகள் மிகக் குறைந்த நேரத்தில் செய்யப்படுகின்றன. மருந்து கண்டுபிடிப்பு, வானிலை கணிப்பு, மற்றும் மீதரவுகள் (Big Data) பகுப்பாய்வு போன்ற துறைகளில் இது பயன்படுகிறது.

 

இரண்டாவதாக, குவாண்டம் தொடர்பாடல் (Quantum Communication) மிகவும் பாதுகாப்பான தகவல் பரிமாற்றத்தை வழங்குகிறது. குறிப்பாக, குவாண்டம் திறவுகோல் பரவல் (Quantum Key Distribution-QKD) என்ற முறைமையின் மூலம் தகவல்கள் முற்றிலும் பாதுகாப்பாக பரிமாறப்படுகின்றன. இதில் யாராவது தகவலை திருட முயற்சித்தால், அது உடனடியாக கண்டறியப்படும். இதனால், வங்கிகள், இராணுவம், மற்றும் அரசாங்க அமைப்புகளில் இது மிகவும் பயனுள்ளதாக உள்ளது.

 

மூன்றாவதாக, குவாண்டம் குறியீட்டு முறைகள் (Quantum Cryptography) தகவல் பாதுகாப்பில் புரட்சியை ஏற்படுத்துகின்றன. தற்போதைய குறியாக்க முறைகள் எதிர்காலத்தில் உடைக்கப்படக்கூடியதாக இருக்கலாம். ஆனால், குவாண்டம் அடிப்படையிலான குறியாக்கம் மிகவும் பாதுகாப்பானதாக கருதப்படுகிறது.

 

நான்காவதாக, குவாண்டம் உணரிகள் (Quantum Sensors) மிகுந்த துல்லியத்துடன் அளவீடுகளை வழங்குகின்றன. இவை ஈர்ப்பு விசை, காந்த புலம், மற்றும் நேர அளவீடு போன்றவற்றை மிகச்சரியாக அளக்கின்றன. மருத்துவத் துறையில் MRI வருடிகள், நில அதிர்வு ஆய்வுகள் (earthquake detection), மற்றும் எண்ணெய் மற்றும் கனிம வளங்கள் கண்டறிதல் போன்ற துறைகளில் இவை பயன்படுகின்றன.

 

ஐந்தாவதாக, குவாண்டம் பொருட்கள் மற்றும் புதிய தொழில்நுட்பங்கள் (Quantum Materials) உருவாக்கப்படுகின்றன. இவை சிறந்த மின்சார கடத்தல் (superconductivity) மற்றும் புதிய வகை மின்னணு சாதனங்கள் உருவாக்க உதவுகின்றன.

 

க்யூபிட் (Qubit) தொழில்நுட்பம்

 

குவாண்டம் பௌதிகவியல் அடிப்படையில் செயல்படும் குவாண்டம் கணினிகளின் முக்கிய கூறாக “க்யூபிட்” (Qubit) தொழில்நுட்பம் கருதப்படுகிறது. பாரம்பரிய கணினிகளில் “பிட்” (bit) என்பது 0 அல்லது 1 என்ற இரண்டு நிலைகளில் ஒன்றில் மட்டுமே இருக்கும். ஆனால், க்யூபிட் என்பது அதைவிட மேம்பட்டது; இது ஒரே நேரத்தில் 0 மற்றும் 1 ஆகிய இரு நிலைகளிலும் இருக்கக்கூடியது. இந்த தன்மை மேற்பொருந்துகை(superposition) எனப்படுகிறது.

 

க்யூபிட் தொழில்நுட்பத்தின் மற்றொரு முக்கிய அம்சம் பின்னல் (entanglement) ஆகும். இதில், இரண்டு அல்லது அதற்கு மேற்பட்ட க்யூபிட்கள் ஒன்றுக்கொன்று இணைக்கப்பட்டிருக்கும். ஒரு க்யூபிட் நிலை மாற்றம் அடைந்தால், அதனுடன் இணைக்கப்பட்டுள்ள மற்ற க்யூபிட்களும் உடனடியாக பாதிக்கப்படும். இதனால், தகவல் பரிமாற்றம் மற்றும் கணக்கீடுகள் மிக வேகமாக நடைபெறுகின்றன.

 

மேலும், க்யூபிட் நிலை (quantum state) எனப்படும் ஒரு சிறப்பு நிலையாகும். இது சாத்திய தன்மை (probability) அடிப்படையில் விவரிக்கப்படுகிறது. அதாவது, ஒரு க்யூபிட் 0 அல்லது 1 ஆக இருக்கக்கூடிய சாத்தியங்களின் கலவையாக இருக்கும். அளவீடு (measurement) செய்யும் போது மட்டுமே அது 0 அல்லது 1 ஆக உறுதியாக மாறுகிறது.

 

க்யூபிட்களை உருவாக்க பல்வேறு தொழில்நுட்பங்கள் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. அவற்றில் சில:

மின்சார எதிர்ப்பு இல்லாத பொருட்கள் (Superconducting qubits)

மின்காந்தப் புலத்தில் பிடித்துள்ள அயன்கள்(Trapped ion qubits)

ஒளி துகள்கள்(Photonic qubits)

 

இத்தகைய க்யூபிட் தொழில்நுட்பங்கள் மிகுந்த துல்லியத்துடன் கட்டுப்படுத்தப்பட வேண்டும். வெளிப்புற சூழல் (noise) காரணமாக க்யூபிட்கள் எளிதில் பாதிக்கப்படலாம். இது“decoherence” என அழைக்கப்படுகிறது. இதுவே குவாண்டம் கணினி வளர்ச்சியில் உள்ள முக்கிய சவாலாகும்.

 

தொடரும்............