Periodically poled thin-film lithium niobate ring Mach Zehnder coupling interferometer as an efficient quantum source of light
यह शोध पत्र एक सममित रिंग-माक-ज़ेहन्डर इंटरफेरोमीटर का प्रस्ताव करता है जो कि वर्तमान निर्माण तकनीक के अनुकूल, एक आवधिक रूप से पोल की गई लिथियम नाइओबेट वेवगाइड का उपयोग करता है, जो सब-मिलीवाट पंप शक्तियों का उपयोग करके -12 dB से अधिक ट्यूनेबल स्क्वीज्ड लाइट और निकट-एकता हेराल्डिंग दक्षता के साथ उच्च-शुद्धता वाले सिंगल फोटॉन को कुशलतापूर्वक उत्पन्न करता है।
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क्वांटम मैकेनिक्स के नियमों पर काम करने वाले एक नए प्रकार के कंप्यूटर के निर्माण की खोज में, वैज्ञानिक प्रकाश की ओर रुख कर रहे हैं। सूचना को संसाधित करने के लिए विद्युत स्विचों का उपयोग करने वाले पारंपरिक कंप्यूटरों के विपरीत, ये भविष्य की मशीनें गणना करने और डेटा प्रसारित करने के लिए प्रकाश के व्यक्तिगत कणों, जिन्हें फोटॉन कहा जाता है, पर निर्भर करती हैं। इस विजन को वास्तविकता बनाने के लिए, इंजीनियरों को दो बहुत विशिष्ट प्रकार के प्रकाश स्रोतों की आवश्यकता है। पहला एक ऐसा उपकरण है जो एकल फोटॉन को मांग पर, एक-एक करके, सटीक समय और बिना किसी अतिरिक्त शोर के बाहर निकाल सके। दूसरा एक ऐसा स्रोत है जो "स्क्वीज्ड" (squeezed) प्रकाश उत्पन्न करता है, जो एक विशेष अवस्था है जहाँ प्रकाश के गुणों की अनिश्चितता सामान्य सीमा से नीचे कम हो जाती है, यह विशेषता क्वांटम कंप्यूटिंग और अति-संवेदनशील सेंसिंग की एक अलग शाखा के लिए आवश्यक है। चुनौती एक ऐसा एकल उपकरण बनाने की रही है जो इन दोनों कार्यों को कुशलतापूर्वक, कम शक्ति का उपयोग करके, और एक चिप पर फिट होने वाले पर्याप्त छोटे प्रारूप में कर सके।
नोकिया बेल लैब्स के शोधकर्ताओं की एक टीम ने दो क्लासिक ऑप्टिकल अवधारणाओं को एक एकल, ट्यूनेबल (tunable) संरचना में जोड़कर इस चुनौतीपूर्ण आवश्यकता को पूरा करने वाला एक डिज़ाइन प्रस्तावित किया है। वे एक डिवाइस का वर्णन करते हैं जो लिथियम नाइओबेट (lithrium niobate) की एक पतली फिल्म से बना है, जो एक ऐसा क्रिस्टल है जो प्रकाश को नियंत्रित करने की अपनी क्षमता के लिए जाना जाता है, जिसे एक रिंग रेज़ोनेटर (ring resonator) के आकार में ढाला गया है। यह रिंग एक माक-ज़ेंडर इंटरफेरोमीटर (Mach-Zehnder interferometer) से जुड़ी है, जो प्रकाश को दो पथों में विभाजित करती है और फिर उन्हें पुन: संयोजित करती है। मुख्य नवाचार इस बात में निहित है कि शोधकर्ता डिवाइस को नियंत्रित करने के लिए ऊष्मा (heat) का उपयोग कैसे करते हैं। चिप पर छोटे हीटरों को रखकर, वे प्रकाश के पथों के तापमान को सटीक रूप से समायोजित कर सकते हैं। यह थर्मल ट्यूनिंग उन्हें चिप की भौतिक संरचना को बदले बिना प्रकाश के प्रवेश और निकास को नियंत्रित करने की अनुमति देती है। यह लचीलापन महत्वपूर्ण है क्योंकि यह उन्हें दो बहुत अलग कार्यों के लिए डिवाइस को अनुकूलित करने में सक्षम बनाता है: स्क्वीज्ड प्रकाश उत्पन्न करना और एकल फोटॉन बनाना।
जब शोधकर्ताओं ने इस डिवाइस के व्यवहार का अनुकरण (simulation) किया, तो उन्होंने पाया कि यह स्क्वीज्ड प्रकाश उत्पन्न करने के लिए एक अत्यधिक कुशल इंजन के रूप में कार्य कर सकता है। एक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य (wavelength) पर लेजर बीम के साथ डिवाइस को पंप करके, उन्होंने दिखाया कि रिंग प्रकाश की ऐसी अवस्था उत्पन्न कर सकती है जहाँ एक गुण में शोर को दबा दिया जाता है। उनके गणना दर्शाती है कि बहुत कम पंप पावर, एक मिलीवाट से भी कम, के साथ डिवाइस -12 डेसिबल का स्क्वीजिंग स्तर प्राप्त कर सकता है। यह एक महत्वपूर्ण परिणाम है क्योंकि चिप पर ऐसा प्रकाश बनाने के पिछले प्रयास अक्सर बहुत अधिक शक्ति की मांग करते थे या कम गुणवत्ता वाला परिणाम देते थे। इसके अलावा, डिज़ाइन उन्हें थोड़ी अधिक शक्ति का उपयोग करने की इच्छा के साथ, -19 डेसिबल तक उच्च स्तर की स्क्वीजिंग तक पहुँचने के लिए डिवाइस को ट्यून करने की अनुमति देता है। इतनी कम ऊर्जा खपत के साथ इसे करने की क्षमता अत्यंत महत्वपूर्ण है, क्योंकि इसका अर्थ है कि इस डिवाइस को भारी बाहरी उपकरणों के बजाय छोटी, ऑन-चिप लेजरों द्वारा संचालित किया जा सकता है।
वही डिवाइस एकल फोटॉन उत्पन्न करने में भी सक्षम सिद्ध हुआ, जो लीनियर ऑप्टिकल क्वांटम कंप्यूटिंग के निर्माण खंड हैं। ऐसा करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक प्रक्रिया का अनुकरण किया जहाँ पंप बीम से एक फोटॉन रिंग के भीतर फोटोन के जोड़े में विभाजित हो जाता है। इनमें से एक फोटॉन 'सिग्नल' के रूप में कार्य करता है, जबकि दूसरा 'हेराल्ड' (herald) के रूप में कार्य करता है, जो घोषणा करता है कि सिग्नल फोटॉन बन गया है। टीम ने पाया कि इंटरफेरोमीटर के तापमान को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, वे यह सुनिश्चित कर सकते हैं कि हेराल्डिंग दक्षता—वह संभावना कि हेराल्ड किया गया फोटॉन वास्तव में मौजूद है—94 से 99 प्रतिशत तक पहुँच जाए। इतनी उच्च दक्षता यह सुनिश्चित करने के लिए आवश्यक है कि क्वांटम कंप्यूटर उन फोटोनों के आने की प्रतीक्षा में समय बर्बाद न करे जो कभी नहीं आते। हालाँकि, ऐसे सिस्टम में एक आम समस्या यह है कि फोटोन अक्सर "अशुद्ध" होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे अन्य गुणों के साथ इस तरह उलझे होते हैं जो जटिल गणनाओं के लिए उनकी उपयोगिता को बिगाड़ देते हैं।
इस शुद्धता की समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने डिवाइस को पंप करने के तरीके में एक चतुर संशोधन प्रस्तावित किया। एक एकल, निरंतर पल्स के बजाय, उन्होंने एक सेकंड के बहुत छोटे अंश के अंतराल पर दो लघु पल्स के उपयोग का अनुकरण किया। इस दोहरी-पल्स पद्धति ने उन्हें फोटोन के बीच अवांछित संबंधों को तोड़ने की अनुमति दी, जिससे 99 प्रतिशत तक की शुद्धता प्राप्त हुई और साथ ही उच्च हेराल्डिंग दक्षता भी बनी रही। हालांकि यह विधि शुरू में फोटोन उत्पन्न करने की दर को कम करती हुई प्रतीत हुई, शोधकर्ताओं ने नोट किया कि इस नुकसान की भरपाई केवल पंप पल्स की पीक पावर को बढ़ाकर आसानी से की जा सकती है। सिमुलेशन बताते हैं कि एक मानक रिपिटिशन रेट और पल्स ड्यूरेशन के साथ, शक्ति में मामूली वृद्धि से जनरेशन दर को कम शुद्ध विधियों के स्तर तक बहाल किया जा सकता है।
प्रस्तावित डिज़ाइन पूरी तरह से उन सामग्रियों और निर्माण तकनीकों पर निर्भर है जो आज पहले से ही उपलब्ध हैं। थिन-फिल्म लिथियम नाइओबेट और मानक थर्मल हीटरों का उपयोग यह सुनिश्चित करता है कि इस डिवाइस का निर्माण मौजूदा औद्योगिक प्रक्रियाओं का उपयोग करके किया जा सकता है, जो इसे एक सैद्धांतिक जिज्ञासा के बजाय एक व्यावहारिक कदम बनाता है। यह प्रदर्शित करके कि एक एकल, ट्यूनेबल रिंग रेज़ोनेटर उच्च-गुणवत्ता वाला स्क्वीज्ड प्रकाश और शुद्ध एकल फोटॉन दोनों उत्पन्न कर सकता है, शोधकर्ताओं ने फोटोनिक क्वांटम कंप्यूटिंग की दो सबसे महत्वपूर्ण आवश्यकताओं के लिए एक सामान्य समाधान पेश किया है। उनका कार्य बताता है कि स्केलेबल क्वांटम कंप्यूटरों का मार्ग शायद पूरी तरह से नई सामग्रियों या असंभव इंजीनियरिंग कारनामों की आवश्यकता नहीं रखता है, बल्कि एक चिप के भीतर प्रकाश के बुद्धिमान और सटीक नियंत्रण की आवश्यकता है जो पहले से ही पहुंच के भीतर है।
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