Topologically controlled multiskyrmions in photonic gradient-index lenses

सूचना की दुनिया की कल्पना एक हलचल भरे शहर के रूप में करें जहाँ डेटा मुद्रा (करेंसी) है। दशकों से, हम इस मुद्रा को छोटे और छोटे स्थानों में पैक करने की कोशिश कर रहे हैं, जैसे किसी लाइब्रेरी को जूते के डिब्बे में ठूसने की कोशिश की जा रही हो। इसे करने के लिए, वैज्ञानिकों ने "टोपोलॉजी" (topology) की विचित्र दुनिया की ओर देखा है—जो गणित की एक ऐसी शाखा है जो उन आकृतियों का अध्ययन करती है जो तब भी नहीं बदलतीं जब उन्हें खींचा या मरोड़ा जाता है। एक कॉफी मग और एक डोनट के बारे में सोचें: एक टोपोलॉजिस्ट के लिए, वे एक ही हैं क्योंकि दोनों में ठीक एक छेद होता है। यदि आप एक डोनट को प्रेट्ज़ल (pretzel) के आकार में मोड़ देते हैं, तो भी वह डोनट ही रहता है; छेद बना रहता है।

1960 के दशक में, टोनी स्काईर्मे नामक एक भौतिक विज्ञानी ने महसूस किया कि सामग्रियों (जैसे चुंबक) में छोटे, घूमते हुए पैटर्न इन टोपोलिक आकृतियों की तरह व्यवहार करते हैं। उन्होंने इन्हें "स्काईर्मियन्स" (skyrmions) कहा। क्योंकि ये इतने स्थिर हैं—इन्हें मरोड़ना या नष्ट करना कठिन है—इसलिए ये डेटा स्टोर करने के लिए एक हॉट टॉपिक बन गए। हाल ही में, वैज्ञानिकों ने चुंबकीय सामग्रियों के बजाय प्रकाश से इन स्काईर्मियन्स को बनाने की कोशिश शुरू की है, इस उम्मीद में कि इनका उपयोग सुपर-फास्ट, सुरक्षित संचार के लिए किया जा सके। हालाँकि, लाइट-स्काईर्मियन्स बनाने के सामान्य तरीके एक भारी हथौड़े से उत्कृष्ट कृति (masterpiece) को तराशने की कोशिश करने जैसा था: उनके लिए विशाल, महंगी और जटिल मशीनों की आवश्यकता होती है, और वे केवल कुछ सरल आकृतियाँ ही बना सकते हैं।

अब, शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक आश्चर्यजनक रूप से सरल उपकरण का उपयोग करके इन लाइट-कणों का एक पूरा नया "चिड़ियाघर" बनाने का तरीका खोज लिया है: एक विशेष प्रकार का लेंस जिसे ग्रेडिएंट-इंडेक्स (GRIN) लेंस कहा जाता है। इन लेंसों को रूसी नेस्टिंग डॉल्स (Russian nesting dolls) की तरह एक के ऊपर एक रखकर, उन्होंने प्रकाश के बहुत अधिक जटिल, घूमते हुए पैटर्न बनाए हैं जो पहले की तुलना में कहीं अधिक विस्तृत हैं। उन्होंने न केवल एक या दो प्रकार के कण बनाए; उन्होंने "मल्टीस्काईर्मियन्स" (स्काईर्मियन्स के समूह) और "मल्टीमेरॉन्स" (आधे-स्काईर्मियन्स) सहित कणों का एक पूरा परिवार बनाया, जो इस बात से नियंत्रित होता है कि प्रकाश लेंस में कैसे प्रवेश करता है। यह खोज बताती है कि एक ऐसा भविष्य जहाँ हम हवा में भारी मात्रा में गुप्त सूचना भेज सकते हैं, जो इन छोटे, अटूट प्रकाश-आकारों में एनकोड की गई हो, और एक ऐसा सिस्टम जो एक नाखून से भी छोटे चिप पर समा सके।

---

प्रकाश-आकार के निर्माता (The Light-Shape Shapers)

एक मानक कैमरा लेंस को एक साधारण आवर्धक कांच (magnifying glass) के रूप में सोचें जो चीजों को बड़ा दिखाने के लिए प्रकाश को मोड़ता है। अब, एक ऐसे लेंस की कल्पना करें जो थोड़ा शरारती है। यह एक GRIN लेंस (Gradient-Index लेंस) है। एक समान मोटाई होने के बजाय, इसकी आंतरिक सामग्री केंद्र से किनारे तक घनत्व में बदलती है, जैसे कि एक जेली जो बाहर की ओर बढ़ने पर सख्त होती जाती है। यह इसे बिना किसी घुमावदार सतह की आवश्यकता के, प्रकाश को बहुत शानदार तरीके से मोड़ने, केंद्रित करने या आकार देने की अनुमति देता है।

शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि यदि आप इन लेंसों को एक विशिष्ट क्रम में एक साथ रखते हैं—कभी-कभी एक "क्वार्टर-वेव प्लेट" या "हाफ-वेव प्लेट" (जो प्रकाश के स्पिन को घुमाने वाले फिल्टर की तरह हैं) जोड़ते हैं—तो आप प्रकाश की एक साधारण किरण को एक जटिल, घूमते हुए टोपोलॉजिकल कण में बदल सकते हैं। यह पानी की एक सीधी धारा को विशेष नोजल और स्पिनर्स की एक श्रृंखला से गुजारने जैसा है, जब तक कि वह एक पूर्ण, स्थिर भंवर (whirlpool) न बन जाए जो अपने आकार को बनाए रखता है, भले ही वह यात्रा कर रहा हो।

नया कण चिड़ियाघर (The New Particle Zoo)

पहले, वैज्ञानिक ज्यादातर केवल एक बुनियादी प्रकार का लाइट-स्काईर्मियन ही बना सकते थे। यह एक ऐसे खिलौने के डिब्बे जैसा था जिसमें केवल एक ही तरह का बिल्डिंग ब्लॉक था। हालाँकि, इस टीम ने अपने कैस्केडेड (एक के ऊपर एक रखे गए) GRIN लेंसों का उपयोग करके कणों का एक पूरा नया चिड़ियाघर बनाया।

उन्होंने बनाए:

• स्काईर्मियुनियम्स (Skyrmioniums): एक स्काईर्मियन (एक भंवर) की कल्पना करें जो दूसरे भंवर के अंदर स्थित है जो विपरीत दिशा में घूमता है। वे एक-दूसरे को इस तरह रद्द कर देते हैं कि कुल "चार्ज" शून्य हो जाता है, लेकिन संरचना जटिल और स्थिर बनी रहती है।
• मल्टीस्काईर्मियन्स (Multiskyrmions): ये समूहों की तरह हैं। टीम ने एक "क्वाड्रास्काईर्मियन" (quadruskyrmion) बनाया, जो अनिवार्य रूप से चार बुनियादी स्काईर्मियन्स का एक वर्ग पैटर्न में समूह है, जो सामंजस्य में घूम रहे हैं।
• मल्टीमेरॉन्स (Multimerons): ये और भी अधिक विलक्षण (exotic) हैं। एक "मेरॉन" (meron) आधे स्काईर्मियन की तरह है। टीम ने एक "क्वाड्रामेरॉन" (quadrumeron) बनाया, जो इन आधे-कणों के चार का एक समूह है।

इस प्रणाली की सुंदरता यह है कि केवल लेजर बीम के पोलराइजेशन (प्रकाश के स्पिन की दिशा) को बदलकर, जो वे लेंस में छोड़ते हैं, वे इन विभिन्न आकृतियों के बीच स्विच कर सकते हैं। यह एक ही चाबी से एक कमरे में एक बिस्तर, एक कमरे में चार बिस्तर, या बंक-बेड टावर वाले कमरे में जाने के बीच स्विच करने जैसा है, बस चाबी को थोड़ा घुमाकर।

"अटूट" कोड (The "Unbreakable" Code)

यह क्यों मायने रखता है? पेपर सुझाव देता है कि यह गुप्त संदेश भेजने का एक क्रांतिकारी तरीका है। क्योंकि ये लाइट-पार्टिकल्स "टोपोलॉजिकल रूप से संरक्षित" (topologically protected) हैं, वे अविश्वसनीय रूप से मजबूत हैं। यदि आप एक स्काईर्मियन में एनकोड किया गया संदेश भेजते हैं, और प्रकाश हवा में कुछ हलचल या धूल से टकराता है, तो आकार थोड़ा हिल सकता है या रंग बदल सकता है, लेकिन मूल "टोपोलॉजी" (छेद या भंवरों की संख्या) को नष्ट नहीं किया जा सकता है। यह एक रबर बैंड में गांठ खोलने की कोशिश करने जैसा है; आप इसे खींच सकते हैं, लेकिन गांठ बनी रहती है।

शोधकर्ता इसके आधार पर एक नया एन्क्रिप्शन सिस्टम प्रस्तावित करते हैं। कल्पना करें कि एलिस (Alice) बॉब (Bob) को एक गुप्त संदेश भेजना चाहती है। अक्षरों को भेजने के बजाय, वह इन लाइट-पार्टिकल्स की एक धारा भेजती है।

1. कोड: वर्णमाला के प्रत्येक अक्षर को टोपोलॉजिकल नंबरों के एक अद्वितीय संयोजन के रूप में सौंपा गया है (जैसे कितने भंवर, कितने परतें, और वे किस दिशा में घूमते हैं)।
2. प्रसार (Transmission): एलिस प्रत्येक अक्षर के लिए इन कणों का एक विशिष्ट पैटर्न बनाने के लिए अपने GRIN लेंस ऐरे का उपयोग करती है। वह उन्हें हवा के माध्यम से भेजती है। बिना सही उपकरण के देखने वाले किसी भी व्यक्ति के लिए, प्रकाश रंगों के एक धुंधले, ओवरलैपिंग ढेर जैसा दिखता है।
3. डिकोडिंग: बॉब के पास एक विशेष डिटेक्टर (फिल्टर वाला कैमरा) है जो छिपी हुई टोपोलॉजी को "देख" सकता है। वह भंवरों और परतों को गिनता है, नंबरों को गुप्त कुंजी का उपयोग करके वापस अक्षरों में अनुवाद करता है, और संदेश पढ़ता है।

यह पेपर "arxiv e-print" के संदेश के साथ इसका प्रदर्शन करता है, जो दिखाता है कि वे जटिल टेक्स्ट को इन सूक्ष्म, स्थिर प्रकाश-आकृतियों में एनकोड कर सकते हैं। क्योंकि ये कण बहुत छोटे हैं (लेंस ऐरे 5 मिलीमीटर से भी कम चौड़ा है) और टोपोलॉजिकल नंबरों को कई तरीकों से बदला जा सकता है, यह प्रणाली संभावित रूप से बहुत कम स्थान में भारी मात्रा में डेटा रख सकती है, जो वर्तमान तरीकों की तुलना में बहुत अधिक है।

उन्होंने क्या नहीं किया (और उन्होंने क्या किया)

यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि यह पेपर क्या दावा नहीं करता है। शोधकर्ताओं ने कोई काम करने वाला इंटरनेट या व्यावसायिक हार्ड ड्राइव नहीं बनाया है। उन्होंने यह साबित नहीं किया है कि यह करने का एकमात्र तरीका है, न ही उन्होंने दावा किया है कि उन्होंने डेटा स्टोरेज की सभी समस्याओं को हल कर दिया है।

इसके बजाय, उन्होंने प्रदर्शन किया (कंप्यूटर सिमुलेशन और वास्तविक दुनिया के प्रयोगों दोनों में) कि यह विशिष्ट तरीका काम करता है। उन्होंने दिखाया कि:

• आप GRIN लेंस का उपयोग करके इन जटिल कणों को बना सकते हैं।
• कण स्थिर हैं और अपनी टोपोलॉजिकल पहचान खोए बिना मुक्त स्थान (free space) में यात्रा कर सकते हैं।
• आप इनपुट लाइट को समायोजित करके विभिन्न प्रकार के (जैसे स्काईर्मियन्स और मेरॉन्स) के बीच स्विच कर सकते हैं।
• आप सैद्धांतिक रूप से इसका उपयोग पात्रों के एक बड़े वर्णमाला को एनकोड करने के लिए कर सकते हैं।

उन्होंने स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज कर दिया कि इन कणों को बनाने के लिए आपको विशाल, महंगे और जटिल सिस्टम की आवश्यकता है; उनका सेटअप कॉम्पैक्ट और प्रोग्रामेबल है। हालाँकि, उन्होंने यह भी स्वीकार किया है कि जबकि उन्होंने उच्च-क्षमता वाले संचार के लिए क्षमता दिखाई है, एक पूर्ण-स्तरीय नेटवर्क का वास्तविक कार्यान्वयन एक भविष्य का कदम है, वर्तमान वास्तविकता नहीं।

लाइट-लॉजिक का भविष्य

पेपर इस बात का सुझाव देते हुए समाप्त होता है कि यह केवल ईमेल भेजने के बारे में नहीं है। क्योंकि ये कण इतने स्थिर हैं और उन्हें इतनी सघनता से पैक किया जा सकता है, वे नए प्रकार के लॉजिक डिवाइस और अत्यधिक सुरक्षित संचार नेटवर्क की ओर ले जा सकते हैं जो हस्तक्षेप के प्रति प्रतिरोधी हैं। शोधकर्ता इसे ठोस चुंबक और प्रकाश की दुनिया के बीच एक सेतु के रूप में देखते हैं, जहाँ टोपोलॉजी के नियम हमें एक नए प्रकार की सूचना तकनीक बनाने की अनुमति देते हैं जो छोटी और अविश्वसनीय रूप से मजबूत है।

संक्षेप में, उन्होंने एक साधारण लेंस लिया, उसे एक के ऊपर एक रखा, और प्रकाश को भविष्य के रहस्यों के लिए अटूट, आकार बदलने वाली चाबियों में बदल दिया।