سنگل فوٹون: کوانٹم مکینکس کی ایک شاندار تجربہ گاہ

کوانٹم میکانکس کے بہت سے پہلو ہیں جو انتہائی حیران کن ہیں۔ ضرورت اس بات کی ہے کہ ایک ایسے سادہ سسٹم پر غور کیا جائے جس سے ان حیرت انگیز، اور بعض اوقات ناقابل یقین، خصوصیات کو ممکن حد تک شفاف انداز سے سمجھا جا سکے۔

اس مضمون میں، میں ایک ایسے سسٹم کی مثال پیش کرتا ہوں۔ یہ مثال ایک واحد فوٹون کی ہے جو ایک خاص سمت میں پولرائزڈ (polarized) ہوتا ہے۔ اگلے چار مضامین میں، میں اس سادہ سسٹم کی بنیاد پر کوانٹم مکینکس کے اسرار کے ساتھ ساتھ کوانٹم کمپیوٹنگ اور کوانٹم پیغام رسانی کے شعبوں میں کچھ اہم اور ناقابل یقین پیش رفت کی وضاحت کرنا چاہوں گا۔

یہاں یہ الفاظ کہ ”واحد فوٹون جو ایک خاص سمت میں پولرائزڈ  ہوتا ہے“ کسی ایسے شخص کے لیے بہت پیچیدہ ہیں جو ماہر طبعیات نہ ہو۔ اس لیے میں پولرائزڈ فوٹون کو پہلے ایک ایسی مثال سے سمجھانے کی کوشش کرتا ہوں جس کا تصور کرنا بہت آسان ہے : ایک سوئی جیسی شے جو ایسی اسکرین میں سے گزرتی ہے جس میں مختلف اطراف میں دروازے موجود ہیں۔ ایک بار جب اس مثال کو سمجھ لیا جائے گا تو فوٹون کی نوعیت کے بارے میں تفصیل جانے بغیر اس کی کوانٹم مکینیکل خصوصیات کو سمجھنا ممکن ہو گا۔

شروع میں ہی یہ بتانا ضروری ہے کہ اس مضمون میں بیان کردہ ’کوانٹم سوئی‘ ایک فرضی چیز ہے جو حقیقی دنیا میں موجود نہیں ہے۔ میں یہ مثال صرف ایک ایسے شخص کے لئے پیش کرتا ہوں جو کوانٹم دنیا کی پیچیدگیوں اور اسرار کو سمجھنے میں دلچسپی رکھتا ہو لیکن جس کا فزکس کا علم بہت محدود ہو۔ ایک بار جب ہم اس فرضی شے کے رویے کو سمجھ لیں گے، تو پھر پولرائزڈ فوٹون جیسی اصلی اشیاء کو سمجھنا آسان ہو جائے گا جن پر فزکس لیبارٹریوں میں تجربات کرنا ممکن ہے۔

ہم جس چیز پر غور کرتے ہیں وہ سوئی کی طرح ایک لمبی چیز ہے۔ ہم تصور کرتے ہیں کہ یہ ایک ایسی اسکرین میں سے گزرتی ہے جس میں دو دروازے ہیں، ایک افقی سمت میں اور دوسرا عمودی سمت میں۔ ظاہر ہے کہ اگر سوئی سیدھی حالت میں حرکت کر رہی ہے تو یہ عمودی دروازے سے ہو کر سکرین سے گزرے گی اور اگر لیٹی ہوئی حالت میں حرکت کر رہی ہے تو یہ افقی دروازے سے گزرے گی۔

یہ ایسا ہی ہے جیسے ہم چلتے ہوئے ایسی دیوار کے سامنے آ جائیں جس میں عمودی اور افقی سمتوں میں دو دروازے ہوں۔ اگر ہم سیدھے چل رہے ہوں تو عمودی دروازے سے گزر جائیں گے اور اگر لیٹی حالت میں حرکت کر رہے ہوں تو افقی دروازے سے گزریں گے۔

ایک اہم نکتہ یہ ہے کہ اگر ہمیں سکرین سے گزرنے سے پہلے سوئی کی سمت معلوم نہ ہو اور سکرین سے گزرنے کے بعد ہم اسے افقی حالت میں پاتے ہیں تو ہم یہ نتیجہ اخذ کریں گے کہ یہ سکرین سے گزرنے سے پہلے بھی افقی پوزیشن میں تھی۔ اسی طرح اگر ہمیں سوئی اسکرین کے بعد عمودی پوزیشن میں ملتی ہے تو ہم یہ ہی نتیجہ اخذ کریں گے کہ یہ سکرین سے گزرنے سے پہلے بھی عمودی پوزیشن میں تھی۔

اس کے بعد آئیے پھر اسی سوئی پر غور کرتے ہیں۔ لیکن اب سکرین کو 45 ڈگری گھمایا جاتا ہے۔ اس صورت میں، دوبارہ دو دروازے ہیں، جو افقی اور عمودی سمتوں میں ہونے کے بجائے، 45 ڈگری اور 135 ڈگری پر موجود ہیں۔ ایسی صورت حال میں، عمودی یا افقی سمت میں موجود سوئی اسکرین سے ٹکرائے گی اور ان دونوں صورتوں میں اسکرین سے گزرنے کے قابل نہیں رہے گی اور ٹکرا کر گر پڑے گی۔

اب تک صورت حال سمجھ میں آنے والی ہے اور کوئی بات ہماری توقعات کے برعکس نہیں ہے۔ دونوں صورتوں میں، جب عمودی اور افقی سمت میں دروازے ہوں یا 45 ڈگری اور 135 ڈگری پر دروازے ہوں، سوئی کی حرکت ہماری عام سمجھ کے مطابق ہے۔

اب ہم ایک عجیب صورت حال پر غور کرتے ہیں جس کا مظاہرہ عام زندگی میں دیکھنے میں نہیں آتا۔

ہم ایک ایسی فرضی سوئی کا تصور کرتے ہیں جس پر یہ پابندی ہے کہ اس سوئی کو اسکرین میں سے ہر صورت گزرنا پڑتا ہے چاہے سکرین کو کسی زاویے میں گھمایا جائے۔ اس فرضی سوئی کے لئے اسکرین سے ٹکرانا اور اس کے نتیجے میں اسکرین سے ٹکرا کر گر پڑنا کوئی آپشن نہیں ہے۔ جیسا کہ ہم درج ذیل میں دیکھیں گے، اس طرح کا رویہ فوٹون جیسے کوانٹم سسٹم کے ذریعے ظاہر کیا جا سکتا ہے۔ اس لیے ہم ایسی فرضی سوئی کو کوانٹم سوئی کہتے ہیں۔

اس طرح کی کوانٹم سوئی کے لیے، پہلی صورت حال ویسی ہی رہتی ہے جیسا کہ اوپر بیان کیا گیا ہے، یعنی اگر سوئی سیدھی حالت میں حرکت کر رہی ہے، تو یہ عمودی دروازے کے ذریعے اسکرین سے گزرے گی اور اگر، یہ لیٹی ہوئی پوزیشن میں حرکت کر رہی ہے، تو وہ افقی دروازے سے گزرے گی۔

لیکن اب ہم ایسی صورت حال کا جائزہ لیتے ہیں جب یہ کوانٹم سوئی ایسی اسکرین سے گزرتی ہے جس کو 45 ڈگری گھمایا جائے۔ اس طور دروازہ یا تو 45 ڈگری کے رخ پر ہو گا یا پھر 135 ڈگری کے رخ پر۔

سوال یہ ہے کہ اگر کوانٹم سوئی، عمودی پوزیشن میں حرکت کرتی ہوئی اس قسم کی اسکرین کے سامنے آ جائے تو ایسی صورت میں کیا ہو گا؟

یہ سوئی دوبارہ دو دروازے دیکھتی ہے۔ تاہم، افقی اور عمودی سمتوں میں ہونے کے بجائے، یہ 45 ڈگری اور 135 ڈگری پر مبنی ہیں۔ چونکہ کوانٹم سوئی عمودی پوزیشن میں مزید حرکت نہیں کر سکتی، اس کے پاس دو انتخاب ہوں گے : یا تو 45 ڈگری پر مبنی دروازے سے گزرے یا 135 ڈگری پر مبنی دروازے سے گزرے۔ ایسی کوئی ترجیح نہیں ہے جو سوئی کی رہنمائی کرے کہ کون سا دروازہ چننا ہے۔ نتیجہ یہ ہے کہ یہ کوانٹم سوئی کسی بھی دروازے سے گزر سکتی ہے۔ ایسی صورت میں، 50 فیصد امکان ہے کہ یہ 45 ڈگری پر مبنی دروازے سے گزرے گی اور 50 فیصد امکان ہے کہ یہ 135 ڈگری پر مبنی دروازے سے گزرے گی۔

اگر سوئی افقی پوزیشن میں حرکت کرتی ہوئی اسکرین کے قریب آتی ہے تو بھی یہی صورتحال پیدا ہوگی۔ ایک بار پھر، 50 فیصد امکان ہو گا کہ یہ 45 ڈگری پر مبنی دروازے سے گزرے گی اور 50 فیصد امکان ہے کہ یہ 135 ڈگری پر مبنی دروازے سے گزرے گی۔ اسی بات کو اس طرح بھی بیان کیا جا سکتا ہے کہ اگر یکساں سمت (عمودی یا افقی) والی سوئیوں کی ایک بڑی تعداد اسکرین سے گزاری جائے تو 50 فیصد سوئیاں 45 ڈگری پر مبنی دروازے سے گزریں گی اور 50 فیصد سوئیاں 135 ڈگری پر مبنی دروازے سے گزریں گی۔

ایسی کوانٹم سوئی، چاہے ہم اسکرین کو کتنا ہی گھمائیں ( 5 ڈگری، 10 ڈگری، 70 ڈگری، یا 80 ڈگری) ، اسکرین میں سے گزر جائے گی، فرق صرف امکان کا ہو گا۔ مثال کے طور پر، آئیے اس اسکرین پر غور کریں جو 10 ڈگری گھومتی ہے۔ اس صورت میں، افقی دروازہ 10 ڈگری پر اور عمودی دروازہ 100 ڈگری پر ہو گا۔ ایک سیدھی سوئی 3 فیصد امکان کے ساتھ 10 ڈگری پر دروازے سے اور 97 فیصد امکان کے ساتھ 100 ڈگری پر دروازے سے گزرے گی۔ یہ امکانات بالترتیب 20 ڈگری اور 110 ڈگری پر مبنی دروازوں کے لیے 12 فیصد اور 88 فیصد ہو جائیں گے۔

ایک اہم بات یہ ہے کہ یہ تجزیہ اس صورت میں بھی درست ہو گا اگر ہم اسکرین کو گھمانے کے بجائے سوئی کو گھمائیں۔ اس طرح، مثال کے طور پر، 45 ڈگری پر موجود سوئی جب ایک ایسی اسکرین سے گزرتی ہے جس میں دروازے عمودی اور افقی سمتوں میں موجود ہوں، تو اس سوئی کے عمودی دروازے یا افقی دروازے سے گزرنے کا امکان 50 فیصد ہوتا ہے۔

اگر ہم غور کریں تو یہ صورت حال کافی پراسرار اور عجیب ہے۔ سب سے حیرت انگیز بات یہ ہے کہ سوئی کی سمت بندی میں کوئی معروضیت نظر نہیں آتی۔ اسکرین میں دروازوں کی سمت بندی، پیمائش کے آلے کے طور پر کام کرتے ہوئے، سوئی کی سمت کا تعین کرتی ہے۔ ایک عام سوئی اگر ایک مخصوص سمت میں موجود ہے تو اسکرین میں موجود دروازوں کی کوئی بھی سمت ہو، سوئی کی سمت پر اس کا کوئی اثر نہیں ہوتا۔ لیکن ایک کوانٹم سوئی کی سمت کا دار و مدار دروازوں کی سمت پر ہوتا ہے۔

تو سوال پیدا ہوتا ہے کہ کیا پیمائش کیے بغیر ایسی سوئی کی سمت کے بارے میں بات کرنا معنی رکھتا ہے؟

یہ سادہ مگر بہت گہرا سوال ہے جس نے بیسویں صدی کے عظیم ترین سائنسدانوں، البرٹ آئن سٹائن اور نیلز بوہر، کے درمیان معروضی حقیقت کے سوال پر ایک طویل بحث کا آغاز کیا اور یہ بحث آج تک جاری ہے۔ اس کے بارے میں مزید بعد میں۔

اگر ایسی سوئی موجود ہو تو کیا نتائج اخذ کیے جا سکتے ہیں؟

حیرت انگیز طور پر، بہت سے کوانٹم مکینیکل اسرار اس سادہ لیکن بظاہر غیر حقیقی سیٹ اپ کے ذریعے سمجھے اور سمجھائے جا سکتے ہیں۔

لیکن سب سے پہلے ہم سمجھنے کی کوشش کرتے ہیں کہ کیا کوئی قدرت میں ایسی کوئی مثال ہے جو اس تصوراتی کوانٹم سوئی کی طرح برتاؤ کرے؟ ایک ایسی سوئی جو اوپر زیر بحث رویے کو واضح طور پر دکھاتی ہو؟

جیسا کہ پہلے کہا گیا، ہمیں حقیقی زندگی میں ایسی سوئی کا سامنا نہیں ہوتا۔ یہ سچ ہے کیونکہ سوئی جیسی بڑی چیز کو عام طور پر نیوٹن کے قوانین کے مطابق مناسب طریقے سے بیان کیا جاتا ہے اور ایسی اشیاء کے کوانٹم رویے کو صرف ان حالات میں ہی ظاہر کیا جا سکتا ہے جو بعد کے مضامین کا موضوع ہوں گے۔ کوانٹم رویے کی نمائش ان اشیاء سے ہوتی ہے جو چھوٹی، یعنی ایٹم کے سائز کی یا اس سے بھی چھوٹی، ہوتی ہیں۔

یہاں میں ایک انتہائی سادہ مثال پیش کرتا ہوں : ایک واحد فوٹون، پولرائزیشن (polarization) کی خاصیت کے ساتھ۔ ایک فوٹون کی پولرائزیشن کی سمت کوانٹم سوئی کی سمت بندی کی طرح ہے اور پولرائزیشن بیم اسپلٹر (polarization beam splitter) دو باہمی طور پر کھڑے دروازوں کے ساتھ اسکرین کے مساوی ہے۔ آئیے کوانٹم مکینیکل پیشین گوئیوں سے وابستہ چونکا دینے والے نتائج پر بحث کرنے سے پہلے اس سسٹم کو سمجھیں۔

روشنی لہروں پر مشتمل ہوتی ہے۔ سمندری لہروں کی طرح اتار چڑھاؤ پر مشتمل لہریں۔ عام طور پر، روشنی مختلف رنگوں پر مشتمل ہوتی ہے، ہر رنگ کسی حد تک مختلف خصوصیات کی لہر سے مطابقت رکھتا ہے۔ روشنی کی لہروں کی ایک اہم خاصیت پولرائزیشن (polarization) ہے۔ لہر کی پولرائزیشن کو لہروں کی سمت کے طور پر بیان کیا جاتا ہے۔ مثال کے طور پر سمندر میں آنے والی لہر کی پولرائزیشن عمودی سمت میں ہو گی۔ روشنی کی پولرائزیشن کی سمت روشنی کی کرن کے عمودی سمت میں تمام ممکنہ سمتوں میں ہو سکتی ہے۔ قدرتی روشنی کے ذرائع جیسے سورج کی روشنی کے ساتھ ساتھ بہت سے مصنوعی ذرائع جیسے لائٹ بلب پولرائزیشن کی بے ترتیب سمتوں کے ساتھ روشنی خارج کرتے ہیں۔

اب ہم روشنی کی کرن کی بجائے ایک فوٹون پر غور کرتے ہیں۔

جس طرح مادی اشیاء ایٹموں سے بنی ہیں، اسی طرح روشنی کو فوٹون پر مشتمل سمجھا جا سکتا ہے۔ ایک واحد فوٹون کسی خاص رنگ کی روشنی کی سب سے چھوٹی مقدار ہو سکتی ہے۔ فوٹون کی ایک خاصیت پولرائزیشن ہے۔ ایک فوٹون کے پولرائزیشن کی سمت واضح طور پر سوئی کی سمت بندی سے مماثلت رکھتی ہے۔

ہماری اوپر دی گئی مثال میں ایک ایسی اسکرین کا کردار جس میں دو دروازے ہیں، پولرائزنگ بیم اسپلٹر (polarizing beam splitter) کے ذریعے ادا کیا جاتا ہے۔ یہ عام طور پر ایک کرسٹل پر مشتمل ڈیوائس ہوتی ہے، جو ایک مخصوص سمت کے پولرائزڈ فوٹون کو گزرنے دیتا ہے۔ اس طرح، عمودی سمت میں پولرائزڈ فوٹون پولرائزنگ بیم اسپلٹر سے سیدھا گزر جاتا ہے، جب کہ افقی سمت میں پولرائزڈ فوٹون 90 ڈگری پر مڑ جاتا ہے۔ بالکل کوانٹم سوئی کی طرح، عمودی یا افقی سمتوں میں پولرائزڈ فوٹون، جب 45 ڈگری گھومے ہوئے پولرائزنگ بیم اسپلٹر سے گزرتے ہیں تو 45 ڈگری یا 135 ڈگری پولرائزیشن کے ساتھ نمودار ہوتے ہیں۔

فوٹون کے اس رویے سے وابستہ فلسفیانہ نتائج بہت گہرے ہیں۔ یہ سادہ نظام واضح طور پر ظاہر کرتا ہے کہ فوٹون کی پولرائزیشن، پیمائش کرنے والے اپریٹس، یعنی پولرائزنگ بیم سپلٹر کی سمت بندی، کی ترتیب پر منحصر ہے۔ یہ ایک انتہائی حیران کن نتیجہ ہے اور ہمارے وجدان کے سراسر مخالف ہے۔ مثال کے طور پر ایک پنسل اگر ایک رخ میں کھڑی ہے تو یہ اس بات پر بالکل منحصر نہیں کہ پنسل کو دیکھنے کے لیے کیا آلات استعمال کیے جاتے ہیں۔

یہ پنسل ہمیشہ اسی رخ پر کھڑی دکھائی دے گی۔ اس طور ہم پنسل کے کھڑے ہوئے رخ کے ساتھ ایک حقیقت وابستہ کر سکتے ہیں۔ لیکن ایک کوانٹم سسٹم، جیسے ایک واحد فوٹون سے وابستہ پولرائزیشن، کے بارے میں یہ درست نہیں۔ فوٹون کی پولرائزیشن کی سمت کا دار و مدار اس بات پر ہے کہ اس کو ماپنے کے آلے، یعنی بیم سپلٹر، کی سمت کیا ہے۔ ماپنے کے آلے کی سمت بندی پر تجرباتی نتائج کا انحصار معمول کی کلاسیکی وضاحت اور کوانٹم تفصیل کے درمیان ایک بہت اہم فرق ہے۔

اگر ہم اب تک کی گئی تفصیل سمجھ پائے ہیں تو کوانٹم مکینکس سے وابستہ بہت سے اسرار کو سمجھنا ممکن ہو جاتا ہے۔ یہ اگلے مضمون کا موضوع ہو گا۔