Fast and robust cat state preparation utilizing higher order nonlinearities in Rydberg ensembles

कल्पना कीजिए कि आप एक ऐसी मशीन बनाने की कोशिश कर रहे हैं जो उन तरीकों से सोच सके जैसे हमारे मस्तिष्क कभी नहीं सोच सकते। इसे करने के लिए, वैज्ञानिक "क्वांटम कंप्यूटर" बना रहे हैं, जो बहुत छोटी दुनिया के अजीब नियमों का उपयोग करके समस्याओं को हल करते हैं। लेकिन ये मशीनें अविश्वसनीय रूप से नाजुक होती हैं। इन्हें उपयोगी बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को "श्रोडिंगर कैट स्टेट्स" (Schrödinger cat states) नामक विशेष, जटिल पदार्थ अवस्थाएँ बनानी पड़ती हैं। चिंता न करें, ये वास्तव में बक्से में जीवित और मृत दोनों अवस्थाओं में रहने वाली बिल्लियाँ नहीं हैं (हालांकि ये उसी प्रसिद्ध विचार प्रयोग से नाम लेती हैं)। क्वांटम दुनिया में, एक "कैट स्टेट" एक सुपरपोजिशन है जहाँ एक सिस्टम एक ही समय में दो पूरी तरह से अलग कॉन्फ़िगरेशन में मौजूद होता है। इसे एक घूमते हुए सिक्के की तरह समझें जो किसी तरह एक ही समय में चित (heads) और पट (tails) दोनों है। ये अवस्थाएँ शक्तिशाली क्वांटम कंप्यूटिंग और अति-संवेदनशील सेंसर के लिए एक गुप्त सूत्र (secret sauce) हैं।

समस्या यह है कि इन अवस्थाओं को बनाना एक पेंसिल को उसकी नोक पर संतुलित करने की कोशिश करने जैसा है जबकि कोई मेज को हिला रहा हो। आमतौर पर, वैज्ञानिक एक विशिष्ट प्रकार के बल का उपयोग करते हैं, जिसे "नॉनलिनियैरिटी" (nonlinearity) कहा जाता है, ताकि क्वांटम सिस्टम को इस विशेष आकार में मोड़ा जा सके। अधिकांश प्रयोगशालाओं में, वे सबसे सरल, सबसे सामान्य प्रकार के घुमाव (एक "सेकंड-ऑर्डर" प्रभाव) पर निर्भर करते हैं। हालाँकि, प्रकृति अव्यवस्थित है। लगभग हर सिस्टम में, साथ ही कुछ कमजोर, अजीब और अधिक जटिल घुमाव भी होते हैं (जिन्हें "हायर-ऑर्डर" प्रभाव कहा जाता है)। दशकों से, वैज्ञानिकों ने इन अतिरिक्त घुमावों को परेशान करने वाले बैकग्राउंड शोर के रूप में माना है—जैसे रेडियो पर आने वाली खरखराहट—जिसे वे अनदेखा करने या फ़िल्टर करने की कोशिश करते हैं क्योंकि वे गणित को कठिन और परिणाम अप्रत्याशित बना देते हैं।

अब, शोधकर्ताओं की एक टीम ने "रिडबर्ग एन्सेम्बल" (Rydberg ensembles) के रूप में जानी जाने वाली अत्यधिक ठंडी परमाणुओं की बादलों वाली एक बहुत ही विशिष्ट व्यवस्था पर गौर किया है, जो उच्च ऊर्जा स्तरों पर उत्तेजित होती हैं। उन्होंने पाया कि इस विशिष्ट वातावरण में, वे परेशान करने वाले, जटिल घुमाव केवल शोर नहीं हैं। वे वास्तव में बहुत बड़े, शक्तिशाली बल हैं जो साधारण बलों के समान मजबूत हो सकते हैं। इन हायर-ऑर्डर प्रभावों से लड़ने के बजाय, टीम ने दिखाया कि हम उन्हें एक 'सुपर-बूस्ट' के रूप में उपयोग कर सकते हैं। इन प्राकृतिक, जटिल घुमावों को एक सावधानीपूर्वक नियंत्रित लेजर पुश (laser push) के साथ जोड़कर, उन्होंने इन क्वांटम सिस्टमों को पहले की तुलना में बहुत तेज़ी से और अधिक विश्वसनीयता के साथ "कैट स्टेट्स" में बदलने का एक तरीका खोज निकाला है। यह बिल्कुल वैसा ही है जैसे यह महसूस करना कि जिस हवा को आप रोकने की कोशिश कर रहे थे, वह वास्तव में रिकॉर्ड समय में आपकी मंजिल तक पहुँचने के लिए एक आदर्श पाल (sail) है।

शोध पत्र की कहानी: शोर को एक महाशक्ति में बदलना

इस अध्ययन में, लेखकों ने, जिनका नेतृत्व एस. झाओ और सहयोगियों ने किया, रिडबर्ग परमाणुओं (Rydberg atoms) के एक संग्रह का अन्वेदर्शन किया—ऐसे परमाणु जिन्हें एक उच्च-ऊर्जा अवस्था में धकेला गया है जहाँ वे विशाल, संवेदनशील गुब्बारों की तरह व्यवहार करते हैं। ये परमाणु एक-दूसरे के साथ इस तरह से परस्पर क्रिया करते हैं जो बलों का एक जटिल जाल बनाता है। शोधकर्ताओं ने इन परमाणुओं के चलने और परस्पर क्रिया करने के तरीके का वर्णन करने के लिए एक गणितीय मॉडल (एक "हैमिल्टोनियन") बनाने से शुरुआत की। उन्होंने पाया कि जब आप गणित को करीब से देखते हैं, तो सिस्टम में केवल एक सरल घुमाव नहीं है; इसमें घुमावों की एक पूरी परत है, सरल घुमावों से लेकर बहुत जटिल, उच्च-स्तरीय घुमावों तक।

आमतौर पर, जब वैज्ञानिक इन जटिल, हायर-ऑर्डर घुमावों को देखते हैं, तो वे मान लेते हैं कि वे बहुत कमजोर हैं या वे प्रयोग को खराब कर देंगे। हालाँकि, लेखकों ने दिखाया कि रिडबर्ग एन्सेम्बल में, ये हायर-ऑर्डर प्रभाव अविश्वसनीय रूप से मजबूत हो सकते हैं, विशेष रूप से जब सिस्टम को विशिष्ट "रेजोनेंस" (अनुनाद) के पास ट्यून किया जाता है (इसे ऐसे समझें जैसे वे 'स्वीट स्पॉट्स' जहाँ परमाणु पूर्ण सामंजस्य में कंपन करते हैं)। इन स्वीट स्पॉट्स में, तीसरा-क्रम का घुमाव (बल का एक अधिक जटिल संस्करण) दूसरे-क्रम के घुमाव जितना ही मजबूत हो सकता है।

टीम ने प्रदर्शित किया कि यह कोई त्रुटि (bug) नहीं है; बल्कि यह एक विशेषता (feature) है। इन कई घुमावों को एक साथ काम करने देकर, उन्होंने पाया कि सिस्टम केवल सरल घुमाव पर निर्भर होने की तुलना में बहुत तेजी से एक श्रोडिंगर कैट स्टेट में विकसित होता है। यह एक भारी कार को धक्का देने जैसा है। यदि केवल एक व्यक्ति धक्का दे रहा है (सरल घुमाव), तो इसमें लंबा समय लगता है। लेकिन यदि आपके पास बिल्कुल सही क्षणों पर विभिन्न कोणों से धक्का देने वाली पूरी टीम है (एकाधिक हायर-ऑर्डर घुमाव), तो कार तुरंत आगे बढ़ जाती है।

हालाँकि, एक पेच था। इस "टीम पुश" को पूरी तरह से काम करने के लिए, परमाणुओं को बलों के एक बहुत ही विशिष्ट, नाजुक विन्यास (configuration) पर ट्यून करने की आवश्यकता थी। यदि ट्यूनिंग थोड़ी भी गलत होती, तो स्पीड बूस्ट गायब हो जाता। इसके अलावा, इस पद्धति के लिए आमतौर पर सिस्टम को एक विशिष्ट "कोहेरेंट" (coherent) अवस्था में शुरू करने की आवश्यकता होती, जिसे पूरी तरह से तैयार करना कठिन है।

इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक नया तरीका पेश किया: एक नियंत्रणीय "लीनियर ड्राइव" (linear drive)। कल्पना कीजिए कि यह एक रिमोट कंट्रोल है जो किसी भी समय परमाणुओं को धीरे से धक्का दे सकता है। एक परिष्कृत कंप्यूटर एल्गोरिदम (जिसे "क्रोटोव विधि" कहा जाता है) का उपयोग करके, यह पता लगाने के लिए कि धक्के का सही पैटर्न क्या होगा, उन्होंने दिखाया कि वे परमाणुओं को एक पूर्ण ठहराव (वैक्यूम स्टेट) से सीधे एक कैट स्टेट में ले जा सकते हैं। इसने सिस्टम के लिए एक पूर्ण अवस्था से शुरू होने की आवश्यकता को समाप्त कर दिया और इसका मतलब यह था कि उन्हें परमाणुओं की ताकतों को बहुत सूक्ष्मता से ट्यून करने की आवश्यकता नहीं थी। एल्गोरिदम स्वाभाविक रूप से मौजूद किसी भी अव्यवस्थित, जटिल बलों के अनुकूल हो सकता था और फिर भी काम पूरा कर सकता था।

उनके सिमुलेशन में दिखाए गए परिणाम प्रभावशाली थे। जब उन्होंने इस स्मार्ट कंट्रोल को जोड़ा, तो कैट स्टेट बनाने में लगने वाला समय काफी कम हो गया। यहाँ तक कि जब उन्होंने वास्तविक दुनिया की समस्याओं जैसे परमाणुओं के ऊर्जा खोने या शोर (डेकोहेरेंस) द्वारा भ्रमित होने का अनुकरण किया, तब भी यह विधि सफल रही। हायर-ऑर्डर ट्विस्ट जितने मजबूत थे, सिस्टम को लक्षित अवस्था तक उतनी ही तेजी से संचालित किया जा सकता था, जिससे प्रभावी रूप से उस शोर से बचने में मदद मिली जो आमतौर पर इन नाजुक क्वांटम अवस्थाओं को नष्ट कर देता है।

संक्षेप में, यह शोध पत्र सोचने के एक नए तरीके का सुझाव देता है। एक पूर्ण, स्वच्छ क्वांटम मशीन बनाने के बजाय जहाँ केवल एक प्रकार का बल मौजूद हो, हम प्रकृति की अव्यवस्थित, जटिल वास्तविकता को अपना सकते हैं। स्मार्ट कंट्रोल का उपयोग करके और रिडबर्ग परमाणुओं में स्वाभाविक रूप से होने वाले शक्तिशाली, हायर-ऑर्डर नॉनलिनियैरिटीज़ का लाभ उठाकर, हम क्वांटम अवस्थाओं को अधिक तेजी से और मजबूती से बना सकते हैं। लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि ये "अवांछित" खामियां वास्तव में एक मूल्यवान संसाधन हैं, जो एक समस्या को भविष्य की क्वांटम तकनीक के लिए एक शक्तिशाली उपकरण में बदल देती हैं।