पाठ्यक्रम: GS3/ विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी
संदर्भ
- यूनेस्को ने 2025 को क्वांटम विज्ञान और प्रौद्योगिकी का अंतर्राष्ट्रीय वर्ष घोषित किया है, जो 1925 में क्वांटम यांत्रिकी के औपचारिक विकास के 100 वर्ष पूर्ण होने का प्रतीक है।
- यह माइलस्टोन वर्नर हाइजेनबर्ग द्वारा हेल्गोलैंड में की गई खोज को स्मरण करता है, जिसने आधुनिक क्वांटम सिद्धांत की नींव रखी।
क्वांटम यांत्रिकी क्या है?
- क्वांटम यांत्रिकी भौतिकी की वह शाखा है जो परमाणु और उप-परमाणु स्तर पर पदार्थ एवं ऊर्जा के व्यवहार को समझाती है।
- यह शास्त्रीय न्यूटनियन भौतिकी से अलग है और ऊर्जा का क्वांटीकरण, तरंग–कण द्वैत, अनिश्चितता एवं सुपरपोज़िशन जैसे सिद्धांतों पर आधारित है।
- यह बताती है कि अत्यंत छोटे वस्तुओं में एक साथ कण (पदार्थ के सूक्ष्म टुकड़े) और तरंग (ऊर्जा का संचार करने वाला व्यवधान या परिवर्तन) दोनों के गुण होते हैं।
- क्वांटम प्रौद्योगिकियों के क्षेत्र:
- क्वांटम संचार: क्वांटम भौतिकी के गुणों का उपयोग बेहतर सुरक्षा और लंबी दूरी की संचार प्रणाली के लिए किया जाता है।
- क्वांटम सिमुलेशन: एक क्वांटम प्रणाली का उपयोग दूसरी क्वांटम प्रणाली के व्यवहार का अनुकरण करने के लिए किया जाता है।
- क्वांटम गणना: यह कंप्यूटिंग का क्षेत्र है जो क्वांटम यांत्रिकी के सिद्धांतों का उपयोग करके कुछ प्रकार की गणनाएँ पारंपरिक कंप्यूटरों की तुलना में अधिक कुशलता से करता है।
- क्वांटम सेंसिंग और मेट्रोलॉजी: यह अत्यधिक सटीक माप प्राप्त करने के लिए क्वांटम यांत्रिकी के सिद्धांतों का लाभ उठाता है।
क्वांटम सिद्धांत का विकास
- 1900: मैक्स प्लांक ने ब्लैक-बॉडी विकिरण को समझाते हुए प्रस्तावित किया कि ऊर्जा को क्वांटा नामक असतत पैकेट्स में उत्सर्जित किया जाता है।
- 1905: अल्बर्ट आइंस्टीन ने फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव को समझाने के लिए क्वांटम विचार का उपयोग किया, जिससे प्रकाश को फोटॉनों से बना हुआ स्थापित किया।
- 1913: नील्स बोहर ने हाइड्रोजन परमाणु की संरचना को समझाने के लिए क्वांटम विचारों को लागू किया।
- 1925: वर्नर हाइजेनबर्ग ने हेल्गोलैंड में रहते हुए मैट्रिक्स मैकेनिक्स का निर्माण किया, जो क्वांटम यांत्रिकी का प्रथम पूर्ण ढाँचा था।
- 1925–26: मैक्स बॉर्न और पास्कुअल जॉर्डन ने मैट्रिक्स बीजगणित का उपयोग करके गणितीय नींव प्रदान की।
- 1926: एर्विन श्रोडिंगर ने वेव समीकरण विकसित किया, जो एक वैकल्पिक लेकिन समकक्ष रूप था।
- 1927: पॉल डिराक ने क्वांटम यांत्रिकी और सापेक्षता सिद्धांतों को एकीकृत किया, इसे गतिशीलता का पूर्ण सिद्धांत बताया।
क्वांटम सिद्धांत में भारतीय योगदान
- सत्येंद्र नाथ बोस: उनके कार्य ने बोस–आइंस्टीन कंडेन्सेट की भविष्यवाणी की, जिसे दशकों बाद प्रयोगात्मक रूप से पुष्टि की गई।
- सी. वी. रमन: उनकी खोज रमन प्रभाव (1928) ने प्रकाश और पदार्थ के बीच क्वांटम अंतःक्रियाओं का प्रत्यक्ष प्रयोगात्मक प्रमाण प्रदान किया, जिससे भारत को विज्ञान में प्रथम नोबेल पुरस्कार (1930) मिला।
क्वांटम प्रौद्योगिकी का अनुप्रयोग
- इलेक्ट्रॉनिक्स और कंप्यूटिंग: अर्धचालक, ट्रांजिस्टर, इंटीग्रेटेड सर्किट और आधुनिक कंप्यूटरों को सक्षम बनाया।
- संचार और नेविगेशन: लेज़र, ऑप्टिकल फाइबर संचार, परमाणु घड़ियाँ और GPS प्रणालियों का आधार।
- स्वास्थ्य और चिकित्सा: MRI स्कैनर, न्यूक्लियर इमेजिंग, रेडिएशन थेरेपी और उन्नत डायग्नोस्टिक्स में अनुप्रयोग।
- ऊर्जा और सामग्री: परमाणु ऊर्जा उत्पादन और उन्नत सामग्री एवं सेंसरों के विकास का समर्थन।
- उभरती प्रौद्योगिकियाँ: क्वांटम कंप्यूटिंग, क्वांटम संचार, सटीक सेंसिंग और अल्ट्रा-सुरक्षित डेटा ट्रांसमिशन की नींव।
राष्ट्रीय क्वांटम मिशन (NQM)
- सरकार ने 2023 में NQM को 2023-24 से 2030-31 तक के लिए स्वीकृति दी।
- उद्देश्य: क्वांटम प्रौद्योगिकी (QT) में वैज्ञानिक और औद्योगिक अनुसंधान एवं विकास को बीजित करना, पोषित करना और विस्तार देना तथा एक जीवंत और नवाचारी पारिस्थितिकी तंत्र बनाना।
- मिशन के उद्देश्यों में 8 वर्षों में 50–1000 भौतिक क्यूबिट्स वाले मध्यम-स्तरीय क्वांटम कंप्यूटर विकसित करना शामिल है, जो सुपरकंडक्टिंग और फोटोनिक तकनीक जैसे विभिन्न प्लेटफ़ॉर्म्स पर आधारित होंगे।
- क्रियान्वयन: शीर्ष शैक्षणिक और राष्ट्रीय R&D संस्थानों में चार थीमैटिक हब्स (T-Hubs) की स्थापना।
क्वांटम प्रौद्योगिकी की चुनौतियाँ
- डेकोहेरेंस: क्वांटम अवस्थाएँ पर्यावरणीय अंतःक्रियाओं के प्रति अत्यधिक संवेदनशील होती हैं, जिससे सामंजस्य का हानि और प्रणाली अस्थिरता होती है।
- क्वांटम मापन और नियंत्रण: शोर, व्यवधान और क्वांटम अवस्थाओं की संवेदनशील प्रकृति के कारण क्वांटम स्तर पर सटीक मापन एवं हेरफेर कठिन है।
- स्केलेबिलिटी और त्रुटि सुधार: व्यावहारिक उपयोग के लिए क्वांटम प्रणालियों का विस्तार करने हेतु जटिल त्रुटि-सुधार तंत्र और बड़ी संख्या में क्यूबिट्स की आवश्यकता होती है।
- लागत और पहुँच: क्वांटम प्रौद्योगिकियाँ महंगी और संसाधन-गहन हैं।
आगे की राह
- अनुसंधान को सुदृढ़ करना: क्वांटम भौतिकी में मौलिक अनुसंधान के लिए सतत सार्वजनिक वित्तपोषण सुनिश्चित करना, ताकि सिद्धांत और अनुप्रयोग के बीच के अंतर को समाप्त जा सके।
- क्षमता निर्माण: विशेष पाठ्यक्रमों, अंतःविषयक कार्यक्रमों और वैश्विक अनुसंधान सहयोग के माध्यम से कुशल मानव संसाधन विकसित करना।
- सार्वजनिक–निजी भागीदारी: स्टार्ट-अप्स और उद्योग की भागीदारी को प्रोत्साहित करना, ताकि प्रोटोटाइप्स को व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य उत्पादों में बदला जा सके।
Source: IE
