Improving quantum dot based single-photon source with continuous measurements

अगली पीढ़ी के कंप्यूटर बनाने की खोज में, वैज्ञानिक प्रकाश की ओर देख रहे हैं। हमारे वर्तमान उपकरणों को शक्ति देने वाले विद्युत संकेतों के विपरीत, प्रकाश के कण, या फोटॉन, अविश्वसनीय गति से और बिना गर्मी उत्पन्न किए सूचना ले जा सकते हैं। इसे काम करने के लायक बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को इन कणों को एक-एक करके, मांग पर उत्पन्न करने के तरीके की आवश्यकता है। कल्पना कीजिए कि एक ऐसी मशीन है जो हर बार बटन दबाने पर एक सटीक संदेशवाहक छोड़ती है, कभी भी एक साथ दो नहीं भेजती और कभी भी शून्य नहीं भेजती। यह क्वांटम तकनीक का 'होली ग्रेल' (अत्यंत मूल्यवान लक्ष्य) है, जो अल्ट्रा-सुरक्षित संचार और शक्तिशाली नए प्रकार के कंप्यूटिंग जैसे कार्यों के लिए आवश्यक है।

चुनौती इन कणों के स्रोत में निहित है। एक आशाजनक विधि में एक अर्धचालक सामग्री का एक छोटा सा कण शामिल है जिसे क्वांटम डॉट कहा जाता है, जो एक सूक्ष्म दर्पण बॉक्स के भीतर फंसा होता है जिसे कैविटी (गुहा) के रूप में जाना जाता है। इस डॉट में ऊर्जा डालने से, वैज्ञानिक इसे एक फोटॉन छोड़ने के लिए मजबूर कर सकते हैं। हालांकि, यह प्रक्रिया स्वाभाविक रूप से अव्यवस्थित है। क्योंकि यह समय कि कब एक इलेक्ट्रॉन डॉट में प्रवेश करता है और प्रकाश बनाने के लिए पुनर्संयोजित होता है, यादृच्छिक (रैंडम) होता है, इसलिए एक सरल "धक्का दें और प्रतीक्षा करें" वाला दृष्टिकोण अक्सर विफल हो जाता है। यह या तो कुछ भी नहीं छोड़ सकता है, या इससे भी बुरा, यह एक साथ दो या अधिक फोटॉन का विस्फोट छोड़ सकता है। क्वांटम कंप्यूटिंग की नाजुक दुनिया में, एक अतिरिक्त फोटॉन भी गणना को खराब कर सकता है, जिससे स्रोत की विश्वसनीयता एक महत्वपूर्ण बाधा बन जाती है।

दक्षिणी कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस यादृच्छिकता को नियंत्रित करने का एक तरीका प्रस्तावित किया है। क्वांटम डॉट में एक निश्चित समय के लिए ऊर्जा पंप करने के बजाय, वे सुझाव देते हैं कि जब तक वह काम कर रहा है तब तक डॉट को करीब से देखते रहें और काम पूरा होते ही ऊर्जा को रोक दें। उनका अध्ययन, जो भौतिक प्रयोगों के बजाय कंप्यूटर सिमुलेशन पर आधारित है, यह प्रदर्शित करता है कि डॉट की ऊर्जा अवस्था की निरंतर निगरानी करके और उस जानकारी का उपयोग करके बिजली को तुरंत काटने से, वे ठीक एक फोटॉन प्राप्त करने की संभावना को काफी बढ़ा सकते हैं। यह विधि विशेष रूप से तब प्रभावी होती है जब ऊर्जा को धीरे-धीरे डाला जाता है, जो कि विद्युत सेटअप की एक सामान्य स्थिति है जो वास्तविक दुनिया के चिप्स में एकीकृत करने में आसान है।

उनके विचार का मूल एक अंधे प्रक्रिया से निर्देशित प्रक्रिया की ओर बदलाव है। एक पारंपरिक सेटअप में, सिस्टम को चालू किया जाता है, और ऑपरेटर एक पूर्व-निर्धारित अवधि के लिए प्रतीक्षा करता है और फिर उसे बंद कर देता है। यह एक पाइप से पानी के कप भरने जैसा है जो बेतरतीब ढंग से चालू और बंद होता है; आपको अनुमान लगाना होगा कि कप को कितनी देर तक धारा के नीचे पकड़ना है। यदि आप इसे बहुत देर तक पकड़ते हैं, तो यह अतिरिक्त पानी के साथ भर जाता है; यदि बहुत कम समय के लिए पकड़ते हैं, तो यह खाली रह जाता है। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि यदि वे वास्तविक समय में पानी का स्तर बढ़ते हुए देख सकते, तो वे काम पूरा होते ही कप को हटा सकते थे। उनके मॉडल में, यह "देखना" एक संवेदनशील डिटेक्टर द्वारा किया जाता है जो क्वांटम डॉट के विद्युत आवेश को मापता है। जब एक इलेक्ट्रॉन डॉट में टनल (सुरंग) करता है, तो आवेश बदल जाता है, और डिटेक्टर इस बदलाव को दर्ज करता है।

एक गणितीय मॉडल का उपयोग करते हुए जो विभिन्न परिणामों की संभावनाओं को ट्रैक करता है, शोधकर्ताओं ने इस फीडबैक लूप का अनुकरण (सिमुलेशन) किया। उन्होंने पाया कि एक विशिष्ट थ्रेशोल्ड (सीमा) निर्धारित करके—एक सिग्नल स्तर जो यह संकेत देता है कि डॉट उत्तेजित अवस्था में पहुँच गया है और फोटॉन उत्सर्जित करने के लिए तैयार है—वे बिजली के स्रोत को तुरंत बंद कर सकते हैं। यह सरल नियम, जो निरंतर लागू किया जाता है, सिस्टम को गलती से अतिरिक्त ऊर्जा पंप करने से रोकता है जो कई फोटॉन के उत्सर्जन का कारण बन सकती है। सिमुलेशन ने दिखाया कि यह दृष्टिकोण तब सबसे अच्छा काम करता है जब डॉट और कैविटी के बीच संबंध मजबूत होता है, जिससे डॉट उत्तेजित होने के बाद फोटॉन तेजी से छोड़ा जा सके। इन स्थितियों में, फीडबैक पद्धति ने अनचाहे मल्टी-फोटॉन घटनाओं की दर को एक प्रतिशत से नीचे रखा जबकि एकल-फोटॉन उत्सर्जन के लिए उच्च सफलता दर बनाए रखी।

अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि ऊर्जा इनपुट की विभिन्न गतियों के तहत यह तकनीक कैसे व्यवहार करती है। जब ऊर्जा बहुत तेज़ी से पंप की जाती है, तो सिस्टम इतनी तेज़ी से चलता है कि डिटेक्टर समय पर प्रतिक्रिया देकर उसे रोकने के लिए पर्याप्त नहीं होता है, और फीडबैक लूप के लाभ कम हो जाते हैं। हालांकि, विद्युत पंपिंग की धीमी और नियंत्रित स्थिति में, जो वास्तविक विद्युत सेटअप में आम है, इसका लाभ स्पष्ट है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि एक बुनियादी प्रणाली भी, जो केवल निर्णय लेने के लिए एक क्षण में माप को देखती है, पुराने ओपन-लूप तरीके की तुलना में बहुत बेहतर प्रदर्शन करती है। यह एक महत्वपूर्ण निष्कर्ष है क्योंकि यह सुझाव देता है कि मापों के पूर्ण इतिहास की जटिल, वास्तविक समय की प्रोसेसिंग के बिना भी बड़े सुधार को देखना संभव है। केवल वर्तमान स्थिति के प्रति एक सरल, तत्काल प्रतिक्रिया ही अंतर पैदा करने के लिए पर्याप्त है।

इस प्रस्ताव का सबसे व्यावहारिक पहलू इसकी इलेक्ट्रिकल पंपिंग के साथ अनुकूलता है। जबकि ऑप्टिकल पंपिंग, जो लेजर का उपयोग करती है, प्रयोगशाला में अध्ययन करने में आसान है, लेकिन बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए इसे स्केल करना कठिन है। इलेक्ट्रिकल पंपिंग, जो इलेक्ट्रॉनों को डॉट में धकेलने के लिए वोल्टेज का उपयोग करती है, बड़े पैमाने पर क्वांटम सर्किट बनाने के लिए बेहतर है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि इलेक्ट्रिकल पंपिंग में अक्सर डॉट और कैविटी के बीच कमजोर संपर्क होता है, एक ऐसी स्थिति जहाँ उनकी फीडबैक तकनीक चमकती है। डॉट के तैयार होते ही पंप को रोककर, वे उन समय अनिश्चितताओं और त्रुटियों से बच जाते हैं जो आमतौर पर इन धीमी प्रणालियों को परेशान करती हैं। सिमुलेशन ने पुष्टि की कि यह विधि उच्च संभावना के साथ एकल-फोटॉन उत्सर्जन बनाए रख सकती है, भले ही डॉट और कैविटी के बीच का जुड़ाव पूर्ण न हो।

शोधकर्ता अपने निष्कर्षों की सीमाओं के प्रति सावधान रहे। उनका कार्य एक सिमुलेशन है, एक विस्तृत गणितीय अन्वेषण कि यह सिस्टम इन विशिष्ट नियमों के तहत कैसे व्यवहार करेगा। उन्होंने उपकरण नहीं बनाया और न ही लैब में फोटॉन को मापा। हालांकि, उनके द्वारा उपयोग किया गया मॉडल स्थापित भौतिकी सिद्धांतों पर आधारित है, जिसमें वे नियम शामिल हैं जो सूक्ष्म स्थानों में प्रकाश और पदार्थ की परस्पर क्रिया को नियंत्रित करते हैं। उन्होंने स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज किया कि यह विधि सभी स्थितियों में समान रूप से काम करेगी; उन मामलों में जहाँ ऊर्जा बहुत तेज़ी से पंप की जाती है या डॉट और कैविटी के बीच का संबंध बहुत कमजोर होता है, पारंपरिक पद्धति की तुलना में सुधार न्यूनतम होता है। यह तकनीक हर समस्या के लिए जादुई समाधान नहीं है, बल्कि एक विशिष्ट, कठिन श्रेणी के क्वांटम स्रोतों के लिए एक लक्षित उपकरण है।

अंततः, यह कार्य विश्वसनीय सिंगल-फोटॉन स्रोतों बनाने के लिए एक नया मार्ग प्रदान करता है। एक कठोर, समय-बद्ध प्रक्रिया को एक प्रतिक्रियाशील, अवलोकन-आधारित प्रक्रिया से बदलकर, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि मौजूदा हार्डवेयर डिजाइनों से अधिक प्रदर्शन निकालना संभव है। मुख्य अंतर्दृष्टि यह है कि क्वांटम दुनिया में, यह जानना कि कब रुकना है, यह जानने जितना महत्वपूर्ण है कि कब शुरू करना है। जैसे-जैसे यह क्षेत्र कार्यात्मक क्वांटम कंप्यूटर बनाने की ओर बढ़ रहा है, सूचना ले जाने के लिए उपयोग किए जाने वाले प्रकाश की शुद्धता और विश्वसनीयता सुनिश्चित करने वाली तकनीकें महत्वपूर्ण होंगी। यह अध्ययन बताता है कि प्रक्रिया को केवल देखते रहने और तुरंत प्रतिक्रिया देकर, हम प्रकाश को ठीक वैसे ही व्यवहार करने के लिए मजबूर कर सकते हैं जैसा हम चाहते हैं, जिससे एक अराजक प्राकृतिक प्रक्रिया को एक सटीक तकनीकी उपकरण में बदला जा सकता है।