குவாண்டம் தியரி: கட்டாயம் கற்க வேண்டும் – ஸ்ரீ காளீஸ்வரர் செ

குவாண்டம் தியரி: கட்டாயம் கற்க வேண்டும்

“இயற்பியலில் கற்றுக்கொள்வதற்கு இனி புதிதாக எதுவும் இல்லை; மீதமிருப்பது துல்லியமான அளவீடுகள் மட்டுமே.” — 19 ஆம் நூற்றாண்டின் இறுதியில் இயற்பியல் உலகம் பரவலாக நம்பிய ஒரு கூற்று இது.

ஆனால், அடுத்த சில தசாப்தங்களிலேயே அந்த நம்பிக்கை சுக்குநூறாக உடைந்தது. இயற்கை தனது மிகச்சிறிய அணு அளவிலான உலகில், மனித குலம் அதுவரை கட்டமைத்து வைத்திருந்த அனைத்து மரபுசார் இயற்பியல் விதிகளையும் தூக்கி எறிந்துவிட்டு முற்றிலும் புதிய விதிகளின் படி இயங்கிக் கொண்டிருப்பதை உலகம் கண்டறிந்தது. அந்தப் புதிய புரட்சியின் பெயர் தான் குவாண்டம் இயற்பியல் (Quantum Physics).

இன்று, மனித சமுதாயம் தனது தொழில்நுட்ப வரலாற்றில் மிக முக்கியமானதொரு திருப்புமுனையில் நிற்கிறது. நீங்கள் அன்றாடம் பயன்படுத்தும் ஸ்மார்ட்போன்கள், அதிவேக இணையம், மருத்துவமனைகளில் உள்ள எம்.ஆர்.ஐ (MRI) ஸ்கேனர்கள் முதல் விண்வெளி ஆராய்ச்சி வரை அனைத்தின் பின்னணியிலும் குவாண்டம் கொள்கைகளே மறைந்திருக்கின்றன.

எதிர்கால உலகை ஆளப்போகும் குவாண்டம் கணினிகள், குவாண்டம் கிரிப்டோகிராஃபி மற்றும் குவாண்டம் சென்சார்கள் போன்ற தொழில்நுட்பங்களைப் புரிந்து கொள்ளவும், அதில் ஆதிக்கம் செலுத்தவும் “குவாண்டம் தியரி” எனப்படும் குவாண்டம் கோட்பாட்டைப் பயில்வது இன்றைய தலைமுறைக்கு ஒரு தேர்வல்ல; அது ஒரு கட்டாயம்.

உலகளாவிய அளவில் வளர்ந்து வரும் குவாண்டம் தொழில்நுட்பத்தின் தேவை

இன்றைய டிஜிட்டல் உலகம் தரவுகளால் (Data) இயங்குகிறது. ஆனால், நாம் பயன்படுத்தும் பாரம்பரிய கணினிகளுக்கு (Classical Computers) சில வரம்புகள் உண்டு. உலகின் மிகச் சக்திவாய்ந்த சூப்பர் கணினியால் கூட பல்லாயிரம் ஆண்டுகள் கணக்கிடப்பட வேண்டிய சிக்கலான கணிதப் பிரச்சினைகளை, சில நிமிடங்களில் தீர்க்கும் வல்லமை படைத்தது குவாண்டம் தொழில்நுட்பம்.

உலகளவில் குவாண்டம் தொழில்நுட்பத்திற்கான தேவை திடீரென அதிகரித்துள்ளதன் பின்னணியில் பல வலுவான காரணங்கள் உள்ளன:

தரவு பாதுகாப்பு மற்றும் சைபர் பாதுகாப்பு (Cybersecurity): இன்று நாம் பயன்படுத்தும் வங்கிப் பரிவர்த்தனைகள், நாட்டின் பாதுகாப்புத் தரவுகள், தனிநபர் தகவல்கள் அனைத்தும் ‘RSA Encryption’ எனப்படும் கணிதக் குறியீடுகள் மூலம் பாதுகாக்கப்படுகின்றன. ஆனால், ஒரு சக்திவாய்ந்த குவாண்டம் கணினியால் இந்தச் சாவிக்குறியீடுகளை நொடிப் பொழுதில் உடைக்க முடியும். இதனால், குவாண்டம் கணினிகளால் உடைக்க முடியாத ‘குவாண்டம் பாதுகாப்பு வலையமைப்பை’ (Quantum Key Distribution – QKD) உருவாக்குவது உலக நாடுகளின் முதன்மை இலக்காக மாறியுள்ளது.

மருத்துவம் மற்றும் வேதியியல் புரட்சி: ஒரு புதிய மருந்தைக் கண்டுபிடித்துச் சந்தைக்குக் கொண்டுவர இன்றைக்கு 10 முதல் 15 ஆண்டுகள் வரை ஆகிறது. மூலக்கூறுகளின் நடத்தை மற்றும் வேதியியல் வினைகளை அணு அளவில் உருவகப்படுத்துவது (Simulation) சாதாரண கணினிகளுக்குச் சாத்தியமற்றது. குவாண்டம் கணினிகள் மூலக்கூறு அமைப்புகளை மிகத் துல்லியமாகக் கணிப்பதன் மூலம், சில மாதங்களிலேயே நோய்களுக்கான புதிய மருந்துகளை வடிவமைக்க முடியும்.

காலநிலை மாற்றம் மற்றும் ஆற்றல் மேலாண்மை: வளிமண்டலத்தில் உள்ள கார்ப்பனை திறம்பட உறிஞ்சும் வழிமுறைகள், அதிக ஆற்றல் கொண்ட பேட்டரிகளை உருவாக்குதல் மற்றும் புதுப்பிக்கத்தக்க ஆற்றலை திறம்படச் சேமித்தல் போன்ற பூகோளப் பிரச்சினைகளுக்குக் குவாண்டம் கணக்கீடுகள் மூலம் தீர்வு காண முடியும்.

பூகோள அரசியல் போட்டி (Geopolitics): அமெரிக்கா, சீனா, ஐரோப்பிய ஒன்றியம் மற்றும் இந்தியா ஆகிய நாடுகள் குவாண்டம் ஆராய்ச்சியில் பல்லாயிரம் கோடி ரூபாய்களை முதலீடு செய்து வருகின்றன. இந்தியா 2023-இல் ‘தேசிய குவாண்டம் மிஷன்’ (National Quantum Mission) திட்டத்திற்காக 6,000 கோடி ரூபாய்க்கும் அதிகமான நிதியை ஒதுக்கியுள்ளது. எந்த நாடு குவாண்டம் தொழில்நுட்பத்தில் முதலிடம் பிடிக்கிறதோ, அதுவே எதிர்கால உலகப் பொருளாதாரம் மற்றும் பாதுகாப்பைத் தீர்மானிக்கும் என்ற நிலை உருவாகியுள்ளது. தற்போதைய சூழலில் அமெரிக்கா, சீனா ஆகிய நாடுகள் குவாண்டம் ஆராய்ச்சியில் முன்னணி இடத்தில் இருக்கிறது. இந்தியா இதில் பயணிக்க வேண்டிய தூரம் மிகவும் அதிகமாக இருக்கிறது.

குவாண்டம் கோட்பாட்டின் வரலாற்றுத் தொடக்கம்

19 ஆம் நூற்றாண்டின் இறுதி வரை, உலகை இயக்கும் இயற்பியல் விதிகளை சர் ஐசக் நியூட்டனின் இயக்க விதிகளும் (Newtonian Mechanics), ஜேம்ஸ் கிளர்க் மேக்ஸ்வெல்லின் மின்காந்தக் கோட்பாடும் (Electromagnetism) முழுமையாக விளக்கிவிட்டதாக அறிவியல் உலகம் நம்பியது. ஒளி என்பது ஒரு தொடர்ச்சியான அலை (Continuous Wave) என்ற கருத்து வலுவாக ஊன்றப்பட்டிருந்தது.

ஆனால், இயற்பியலாளர்கள் ‘கருமை பொருள் கதிர்வீச்சு’ (Blackbody Radiation) என்ற நிகழ்வை ஆராயத் தொடங்கியபோது, பாரம்பரிய இயற்பியல் விதிகளின் கணக்கீடுகள் தடுமாறத் தொடங்கின.

பாரம்பரிய இயற்பியல் விதிகளின்படி, ஒரு வெப்பமடையும் பொருள் வெளியிடும் கதிர்வீச்சின் ஆற்றல், அலைநீளம் குறையக் குறைய எல்லையின்றி அதிகரித்துக்கொண்டே செல்ல வேண்டும். இது கோட்பாட்டு ரீதியாக ‘புற ஊதா சிக்கல்’ (Ultraviolet Catastrophe) என்று அழைக்கப்பட்டது. அதாவது, ஒரு சாதாரண அடுப்பில் இருக்கும் பொருள் கூட வரம்பற்ற ஆற்றலை வெளிப்படுத்தி உலகத்தையே அழித்துவிட வேண்டும்! ஆனால், நடைமுறையில் அப்படி நடப்பதில்லை.

இங்குதான் மரபுசார் இயற்பியலின் தோல்வி வெளிப்படையானது. இந்த முரண்பாட்டிற்கு விடை தேடும் முயற்சியே குவாண்டம் இயற்பியல் எனும் புதிய அறிவியல் கதவைத் திறந்தது.

மேக்ஸ் பிளாங்க்: ‘குவாண்டம்’ என்ற சொல்லின் நாயகர்.

1900 ஆம் ஆண்டு டிசம்பர் 14 ஆம் தேதி. இயற்பியல் வரலாற்றில் ஒரு பொன்னான நாள். ஜெர்மன் இயற்பியலாளரான மேக்ஸ் பிளாங்க் (Max Planck), ஜெர்மன் இயற்பியல் கழகத்தில் தனது வரலாற்றுச் சிறப்புமிக்க ஆய்வறிக்கையைச் சமர்ப்பித்தார்.

ஆற்றல் என்பது தொடர்ச்சியாகப் பாயும் நீரோட்டத்தை போன்றது அல்ல; மாறாக அது சிறிய சிறிய ‘பாக்கெட்டுகளாக’ அல்லது ‘துகள்களாக’ மட்டுமே உமிழப்படுகிறது அல்லது உறிஞ்சப்படுகிறது என்று பிளாங்க் தன்னுடைய கோட்பாட்டை முன் வைத்தார் 

‘குவாண்டம்’ (Quantum) என்ற சொல் லத்தீன் மொழியிலிருந்து பெறப்பட்டதாகும். லத்தீனில் ‘Quantus’ என்றால் “எவ்வளவு” அல்லது “குறிப்பிட்ட அளவு” (How much / Discrete amount) என்று பொருள்.

மேக்ஸ் பிளாங்க், இந்த ஆற்றல் பாக்கெட்டுகளுக்கு ‘குவாண்டா’ (Quanta – இதன் ஒருமை வடிவம் ‘Quantum’) என்று பெயரிட்டார்.

மேக்ஸ் பிளாங்க் ‘குவாண்டம்’ என்ற கருத்தாக்கத்தை முதன்முதலில் அறிமுகப்படுத்தியதால், அவரே “குவாண்டம் இயற்பியலின் தந்தை” என்று போற்றப்படுகிறார்.

ஐன்ஸ்டீனின் பங்களிப்பு

மேக்ஸ் பிளாங்க் தனது கோட்பாட்டை ஒரு கணித உத்தியாக மட்டுமே பார்த்தார். ஆனால், அதன் உண்மையான பௌதிகப் பொருளை உலகிற்கு உணர்த்தியவர் ஆல்பர்ட் ஐன்ஸ்டீன் (Albert Einstein).

1905 ஆம் ஆண்டு, ஐன்ஸ்டீன் ‘ஒளிமின் விளைவு’ (Photoelectric Effect) பற்றிய தனது ஆய்வறிக்கையை வெளியிட்டார். ஒரு உலோகத்தின் மீது ஒளி விழும்போது அதிலிருந்து எலக்ட்ரான்கள் உமிழப்படுகின்றன. ஒளியின் தீவிரத்தை அதிகரித்தால் எலக்ட்ரான்களின் ஆற்றல் அதிகரிப்பதில்லை; மாறாக ஒளியின் அதிர்வெண்ணை (Frequency) அதிகரிக்கும் போது மட்டுமே எலக்ட்ரான்கள் வெளியேறுகின்றன என்பதை ஐன்ஸ்டீன் சுட்டிக்காட்டினார்.

ஒளி என்பது வெறும் அலையல்ல; அது ஆற்றல் செறிந்த துகள்களின் தொகுப்பு என்று ஐன்ஸ்டீன் நிரூபித்தார். இந்த ஒளித் துகள்கள் பின்னாளில் ‘ஃபோட்டான்கள்’ (Photons) என்று அழைக்கப்பட்டன. இதற்காகவே ஐன்ஸ்டீனுக்கு 1921 ஆம் ஆண்டு இயற்பியலுக்கான நோபல் பரிசு வழங்கப்பட்டது.

இதனைத் தொடர்ந்து, நீல்ஸ் போர் (Niels Bohr), லூயிஸ் டி புரோக்லி (Louis de Broglie), வெர்னர் ஹைசன்பெர்க் (Werner Heisenberg), எர்வின் சுரோடிங்கர் (Erwin Schrödinger), மற்றும் பால் டிராக் (Paul Dirac) போன்ற அறிஞர்கள் குவாண்டம் கோட்பாட்டைப் படிப்படியாகக் கட்டியெழுப்பினார்கள்.

அலை-துகள் இருமைத்தன்மை (Wave-Particle Duality): பருப்பொருட்களும் ஒளியும் ஒரே நேரத்தில் அலையாகவும் துகளாகவும் செயல்படும்.

ஹைசன்பெர்க்கின் நிச்சயமின்மைக் கோட்பாடு (Uncertainty Principle): ஒரு குவாண்டம் துகளின் இருப்பிடத்தையும் அதன் வேகத்தையும் ஒரே நேரத்தில் துல்லியமாகக் கணிக்க முடியாது.

மேற்பொருந்துதல் (Superposition) & பிணைப்பு (Entanglement): ஒரு துகள் ஒரே நேரத்தில் பல நிலைகளில் இருக்கலாம்; இரண்டு துகள்கள் மைல்கள் தொலைவில் இருந்தாலும் ஒன்றுக்கொன்று கணநேரத்தில் தொடர்புகொள்ள முடியும்.

தற்போது குவாண்டம் தொழில்நுட்பம் எதிலெல்லாம் பயன்படுத்தப்படுகிறது?

குவாண்டம் இயற்பியல் என்பது வெறும் ஏட்டுச் சுரைக்காய் அல்ல. அது ஏற்கனவே நம் அன்றாட வாழ்க்கையை மாற்றியமைத்துவிட்டது. முதலாம் குவாண்டம் புரட்சி (First Quantum Revolution) நமக்கு செமிகண்டக்டர்கள், டிரான்சிஸ்டர்கள் மற்றும் லேசர்களைக் கொடுத்தது. இன்று நாம் வாழும் டிஜிட்டல் யுகமே அதனால் சாத்தியமானதுதான்.

தற்போது நாம் இரண்டாம் குவாண்டம் புரட்சியின் (Second Quantum Revolution) தொடக்கத்தில் இருக்கிறோம். தற்போதைய பயன்பாடுகள் சில:

1. மருத்துவப் பரிசோதனைகள் மற்றும் எம்.ஆர்.ஐ (MRI)

மருத்துவமனைகளில் பயன்படுத்தப்படும் MRI ஸ்கேனர்கள், மனித உடலின் அணுக்கருக்களில் உள்ள ஸ்பின் (Spin) எனப்படும் குவாண்டம் பண்பைப் பயன்படுத்தித் தான் திசுக்களின் தெளிவான படங்களை உருவாக்குகின்றன.

2. லேசர் தொழில்நுட்பம் மற்றும் தொடர்பு சாதனங்கள்

அறுவை சிகிச்சைக்குப் பயன்படும் லேசர்கள், பார் குறியீடு (Barcode) ஸ்கேனர்கள், மற்றும் ஃபைபர் ஆப்டிக்ஸ் இணையம் ஆகியவை குவாண்டம் கொள்கைகளான ஆற்றல் மட்ட மாறுதல்கள் (Energy level transitions) அடிப்படையிலேயே இயங்குகின்றன.

3. அணு கடிகாரங்கள் மற்றும் ஜி.பி.எஸ் (GPS & Atomic Clocks)

நாம் செயற்கைக்கோள் மூலம் வழித்தடங்களைக் கண்டறியப் பயன்படுத்தும் GPS தொழில்நுட்பம், வினாடியின் பில்லியனில் ஒரு பங்கைக் கூட துல்லியமாகக் கணக்கிடும் அணு கடிகாரங்களைச் சார்ந்துள்ளது. இந்த கடிகாரங்கள் சீசியம் (Cesium) அணுக்களின் குவாண்டம் அதிர்வுகளை அடிப்படையாகக் கொண்டு செயல்படுகின்றன.

4. குவாண்டம் கிரிப்டோகிராஃபி (QKD)

இராணுவத் தகவல் தொடர்பு மற்றும் வங்கிகளுக்கு இடையே பாதுகாப்பான தகவல்களைப் பரிமாற குவாண்டம் விநியோகச் சாவி (Quantum Key Distribution) ஏற்கனவே பயன்படுத்தப்பட்டு வருகிறது. இதில் தகவலை யாராவது இடைமறிக்க முயன்றால், குவாண்டம் விதிகளின்படி அந்தத் தகவல் உடனடியாகத் தன் இயல்பை மாற்றிவிடும்; இதனால் ஊடுருவலை எளிதில் கண்டுபிடித்துவிடலாம்.

5. குவாண்டம் கணினி முன்மாதிரிகள் (Quantum Computing Prototypes)

ஐ.பி.எம் (IBM), கூகுள் (Google) மற்றும் ரிஜெட்டி (Rigetti) போன்ற நிறுவனங்கள் தங்களின் குவாண்டம் கணினிகளை மேகக்கணிமை (Cloud) மூலம் ஆராய்ச்சியாளர்களுக்குக் கிடைக்கச் செய்துள்ளன. நிதித்துறை உருவகப்படுத்துதல் (Financial Modeling), தளவாடங்கள் மேலாண்மை (Logistics Optimization) ஆகியவற்றில் இவை சோதனை முறையில் பயன்படுத்தப்பட்டு வருகின்றன.

100 ஆண்டுகளுக்கு முன்பு அணுக்களின் நுண் உலகத்தைப் புரிந்துகொள்வதற்காகத் தொடங்கிய ஒரு கோட்பாட்டு இயற்பியல் முயற்சி, இன்று மனித நாகரிகத்தின் அடுத்தகட்டத் தொழில்நுட்பப் பாய்ச்சலாக உருவெடுத்துள்ளது.

இயற்பியல் விதிகளின் எல்லைகளைத் தாண்டி, கணினி அறிவியல், மருத்துவம், செயற்கை நுண்ணறிவு மற்றும் நாட்டின் பாதுகாப்பு என அனைத்துத் துறைகளிலும் குவாண்டம் தனது ஆதிக்கத்தைச் செலுத்தத் தொடங்கிவிட்டது. குவாண்டம் தியரியின் அடிப்படை தத்துவங்களைப் புரிந்துகொள்வது என்பது வெறும் அறிவை வளர்ப்பது மட்டுமல்ல; அது எதிர்கால தொழில்நுட்ப உலகில் நம்மையும் ஒரு பங்காளியாக மாற்றிக்கொள்வதற்கான முதல் படியாகும்.

கட்டுரையாளர்:

ஸ்ரீ காளீஸ்வரர் செ,
சுயாதீன குவாண்டம் கணிமை ஆராய்ச்சியாளர்,
திறந்த மூல அறிவியல் ஆய்வகம் ( Open science labs – லத்தீன் அமெரிக்கா)
இளம் அறிவியல் எழுத்தாளர்,
(முதுகலை இயற்பியல் மாணவர்,
ஸ்காட் கிறிஸ்தவ கல்லூரி நாகர்கோவில்.)

******************************************************************************