Tunable spectral correlations of highly multimode visible light via broadband quantum frequency conversion

प्रकाश केवल एक कमरे को रोशन करने वाली किरण मात्र नहीं है; यह सूचना का एक जटिल वाहक है, जो एक साथ कई अलग-अलग तरीकों से डेटा धारण करने में सक्षम है। क्वांटम भौतिकी के साथ काम करने वाले वैज्ञानिक लंबे समय से इन छिपे हुए स्तरों का लाभ उठाने की कोशिश कर रहे हैं ताकि ऐसे कंप्यूटर बनाए जा सकें जो आज की मशीनों के लिए असंभव समस्याओं को हल कर सकें, या ऐसे सेंसर जो ब्रह्मांड की सबसे सूक्ष्म फुसफुसाहटों को भी पकड़ सकें। ऐसा करने के लिए, वे अक्सर "स्क्वीज़्ड लाइट" (squeezed light) नामक एक विशेष प्रकार के प्रकाश का उपयोग करते हैं। एक ऐसे गुब्बारे की कल्पना करें जिसे इस तरह दबाया गया है कि वह एक दिशा में बहुत पतला लेकिन दूसरी दिशा में बहुत लंबा हो जाता है; क्वांटम दुनिया में, यह दबाव प्रकाश के एक विशिष्ट गुण की अनिश्चितता को कम कर देता है, जिससे यह सटीकता के लिए एक शक्तिशाली उपकरण बन जाता है। वर्षों से, शोधकर्ता इन्फ्रारेड तरंग दैर्ध्य (wavelengths) का उपयोग करके इस स्क्वीज़्ड लाइट को बनाने में सक्षम रहे हैं, जो मानव आंखों के लिए अदृश्य है और दूरसंचार में उपयोग किए जाने वाले ग्लास फाइबर के माध्यम से अच्छी तरह से यात्रा करती है। हालांकि, एक बड़ी बाधा मौजूद थी: प्रकाश के व्यक्तिगत कणों, या फोटॉन, को गिनने वाले सर्वोत्तम कैमरे दृश्य प्रकाश (visible light) के साथ सबसे अच्छा काम करते हैं, वही प्रकाश जिसे हम अपनी आंखों से देखते हैं। इन्फ्रारेड प्रकाश को इन संवेदनशील कैमरों द्वारा महंगे, सुपर-कूल्ड उपकरणों के बिना पहचानना कठिन होता है।

कॉर्नेल यूनिवर्सिटी और एनटीटी रिसर्च (NTT Research) के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस अंतर को पाट दिया है, और अत्यधिक जटिल इन्फ्रारेड प्रकाश को दृश्य प्रकाश में बदलने का एक तरीका प्रदर्शित किया है, बिना इसके नाजुक क्वांटम गुणों को खोए। उन्होंने इसे "एडियाबेटिक फ्रीक्वेंसी कन्वर्जन" (adiabatic frequency conversion) नामक प्रक्रिया का उपयोग करके हासिल किया। इसे प्रकाश की "भाषा" को इन्फ्रारेड से दृश्य प्रकाश में बदलने वाला एक परिष्कृत अनुवादक समझें, लेकिन यह इसे इतनी सहजता और दक्षता से करता है कि प्रकाश के भीतर जटिल पैटर्न और सहसंबंध (correlations) पूरी तरह से बरकरार रहते हैं। शोधकर्ताओं ने सैकड़ों अलग-अलग फ्रीक्वेंसी चैनलों वाले प्रकाश की स्थिति उत्पन्न की, जो इस पैमाने पर पहले कभी नहीं किया गया था। इस प्रकाश को दृश्य तरंग दैर्ध्य में बदलकर, वे इसे लाखों छोटे सेंसरों से लैस एक मानक, कमरे के तापमान वाले कैमरे का उपयोग करके मापने में सक्षम थे, बजाय इसके कि वे कुछ विशेष, क्रायोजेनिक रूप से ठंडे डिटेक्टरों पर निर्भर रहें। यह सफलता बड़े पैमाने पर क्वांटम सिस्टम बनाने के लिए एक नया मार्ग सुझाती है जो अधिक व्यावहारिक और स्केल करने में आसान है।

प्रयोग की शुरुआत स्वयं स्क्वीज़्ड लाइट के निर्माण के साथ हुई। टीम ने "ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर" नामक एक उपकरण का उपयोग किया, जो लेजर प्रकाश के एक पल्स को लेता है और उसे फोटॉन के जोड़ों में विभाजित करता है। यह प्रक्रिया जिस तरह से काम करती है, उसके कारण, परिणामी प्रकाश केवल एक साधारण बीम नहीं है बल्कि एक अत्यधिक संरचित अवस्था है जिसमें 400 से अधिक अलग-अलग फ्रीक्वेंसी मोड शामिल हैं। ये मोड हाईवे के व्यक्तिगत लेन की तरह हैं, जिनमें से प्रत्येक अपना सूचना प्रवाह लेकर चलता है, और वे सब एक साथ यात्रा करते हैं। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि यह प्रकाश वास्तव में एक स्क्वीज़्ड अवस्था में था, जिसका अर्थ है कि सिस्टम में शोर (noise) सामान्य प्रकाश की तुलना में बहुत कम था। उन्होंने प्रकाश के स्पेक्ट्रम को मापा और पाया कि यह एक विशाल फ्रीक्वेंसी रेंज को कवर करता है, जो 45 टेराहरत्ज़ से अधिक है। यह बैंडविड्थ इतनी चौड़ी है कि यह पृथ्वी पर उपयोग किए जाने वाले सभी रेडियो और टेलीविजन स्टेशनों की कुल फ्रीक्वेंसी रेंज से कहीं अधिक है।

एक बार जब यह जटिल इन्फ्रारेड प्रकाश उत्पन्न हो गया, तो टीम के सामने इस प्रकाश को दृश्य प्रकाश में बदलने की चुनौती आई। क्वांटम प्रकाश का रंग बदलने के पिछले प्रयासों के परिणामस्वरूप अक्सर सिग्नल का महत्वपूर्ण नुकसान या उसके क्वांटम गुणों का क्षरण हुआ। शोधकर्ताओं ने इसे "एडियाबेटिक फ्रीक्वेंसी कन्वर्जन" का उपयोग करके दूर किया, जो एक ऐसी तकनीक है जो एक विशेष क्रिस्टल के माध्यम से गुजरते समय प्रकाश की स्थितियों में क्रमिक परिवर्तन पर निर्भर करती है। उन्होंने इन्फ्रारेड प्रकाश को लेजर प्रकाश के दूसरे, अधिक शक्तिशाली पल्स के साथ मिलाया। इस दूसरे पल्स के प्रोफाइल को सावधानीपूर्वक आकार देकर, उन्होंने इन्फ्रारेड फोटॉन को 620 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य पर दृश्य फोटॉन में बदलने के लिए निर्देशित किया, जो चमकीले लाल रंग के रूप में दिखाई देता है। यह प्रक्रिया उल्लेखनीय रूप से कुशल थी, जिसने इन्फ्रारेड रेंज से दृश्य रेंज में लगभग सभी प्रकाश को बिना क्वांटम जानकारी को अस्त-व्यस्त किए परिवर्तित कर दिया।

उनकी सफलता का वास्तविक परीक्षण तब हुआ जब उन्होंने परिवर्तित प्रकाश को मापा। उन्होंने दृश्य बीम को एक "इलेक्ट्रॉन-मल्टीप्लाइंग चार्ज-कप्ल्ड डिवाइस" कैमरा की ओर निर्देशित किया, जो उच्च सटीकता के साथ एकल फोटॉन का पता लगाने में सक्षम सेंसर का एक प्रकार है। चूंकि प्रकाश अब दृश्य था, इसलिए कैमरा एक साथ पूरे स्पेक्ट्रम को कैप्चर कर सकता था, जो समानांतर में काम करने वाले लाखों डिटेक्टरों के एक सरणी (array) के रूप में कार्य करता है। शोधकर्ताओं ने देखा कि कैमरे पर पड़ने वाले प्रकाश में प्रति पल्स औसतन लगभग 700 फोटॉन थे, जो सैकड़ों फ्रीक्वेंसी मोड में वितरित थे। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि इन फोटॉन के सांख्यिकीय पैटर्न स्क्वीज़्ड लाइट के अनुमानों से मेल खाते थे। विभिन्न फ्रीक्वेंसी मोड के बीच सहसंबंध मजबूत बने रहे, जिससे यह सिद्ध हुआ कि रूपांतरण प्रक्रिया ने प्रकाश की क्वांटम प्रकृति को सुरक्षित रखा है। यह एक महत्वपूर्ण खोज थी, क्योंकि इसने प्रदर्शित किया कि नाजुक क्वांटम अवस्था दृश्य स्पेक्ट्रम तक की यात्रा में भी जीवित रह सकती है।

केवल प्रकाश को बदलने के अलावा, टीम ने दिखाया कि वे रूपांतरण प्रक्रिया के दौरान विभिन्न फ्रीक्वेंसी मोड के बीच के संबंधों को नियंत्रित कर सकते हैं। रूपांतरण को संचालित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले लेजर पल्स के आकार को बदलकर, वे यह बदल सकते हैं कि प्रकाश के विभिन्न हिस्से एक-दूसरे के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। यह एक प्रोग्रामेबल बीम स्प्लिटर रखने के समान है जो वास्तविक समय में प्रकाश के सैकड़ों चैनलों को मिला और मिला सकता है। इन सहसंबंधों को नियंत्रित करने की क्षमता उन्नत क्वांटम कंप्यूटिंग कार्यों के लिए आवश्यक है, जहाँ एंटैंगल्ड (entangled) कणों की व्यवस्था गणना के परिणाम को निर्धारित करती है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि वे पल्स के आकार को समायोजित करके एंटैंगलमेंट के विभिन्न पैटर्न बना सकते हैं, प्रभावी रूप से रूपांतरण के दौरान ही क्वांटम अवस्था को प्रोग्राम कर सकते हैं।

इस कार्य के निहितार्थ क्वांटम प्रौद्योगिकी के भविष्य तक विस्तृत हैं। यह दिखाकर कि अत्यधिक मल्टीमोड स्क्वीज़्ड लाइट को उच्च दक्षता के साथ उत्पन्न, हेरफेर और दृश्य प्रकाश डिटेक्टरों का उपयोग करके मापा जा सकता है, शोधकर्ताओं ने क्वांटम सिस्टम को स्केल करने के लिए एक महत्वपूर्ण बाधा को हटा दिया है। मानक कैमरा तकनीक का उपयोग करना, जो कॉम्पैक्ट, अपेक्षाकृत सस्ती है और कमरे के तापमान पर संचालित होती है, इन्फ्रारेड डिटेक्शन के लिए वर्तमान में आवश्यक जटिल, क्रायोजेनिक सेटअपों का एक व्यावहारिक विकल्प प्रदान करता है। टीम का अनुमान है कि उनकी विधि हजारों मोडों का समर्थन कर सकती है, जो पिछले प्रयोगों की क्षमताओं से कहीं अधिक है। हालांकि वर्तमान सेटअप में डेटा को कितनी तेजी से प्रोसेस किया जा सकता है और प्रत्येक एकल मोड पर नियंत्रण की सटीक डिग्री के संबंध में कुछ सीमाएं हैं, लेकिन इसका 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' ठोस है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया है कि फ्रीक्वेंसी डोमेन क्वांटम सूचना के लिए एक व्यवहार्य और शक्तिशाली मंच है, जो क्वांटम सेंसिंग और कंप्यूटिंग के नए प्रयोगों के द्वार खोलता है जो पहले पहुंच से बाहर थे।

यह उपलब्धि क्वांटम ऑप्टिक्स के व्यावहारिक अनुप्रयोग की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है। यह क्षेत्र को बड़े पैमाने के क्वांटम कंप्यूटर और सेंसर बनाने के लक्ष्य के करीब ले जाता है जो विशेष प्रयोगशाला वातावरणों के बाहर काम कर सकें। सैकड़ों मोड की स्क्वीज़्ड लाइट को एक साथ उत्पन्न करने, हेरफेर करने और उच्च दक्षता के साथ मापने की क्षमता, भविष्य के विकास के लिए एक मजबूत आधार प्रदान करती है। जैसे-जैसे शोधकर्ता अपनी तकनीकों को परिष्कृत करना जारी रखेंगे, विशेष रूप से डिटेक्शन की गति और पल्स शेपिंग की सटीकता में सुधार करके, इन प्रणालियों द्वारा जटिल वास्तविक दुनिया की समस्याओं को हल करने की क्षमता बढ़ती जाएगी। यह कार्य विभिन्न भौतिक विज्ञान के क्षेत्रों को तकनीकी बाधाओं को दूर करने के लिए संयोजित करने की शक्ति का प्रमाण है, जो एक सैद्धांतिक संभावना को एक मूर्त वास्तविकता में बदल देता है।