Atomic-scale on-demand photon polarization manipulation with high-efficiency for integrated photonic chips
यह शोध पत्र एकीकृत फोटोनिक चिप्स के लिए एक उच्च-दक्षता, परमाणु-स्तर की योजना प्रस्तावित करता है जो एक तीन-स्तरीय क्वांटम उत्सर्जक (क्वांटम एमिटर) को लंबवत वेवगाइड मोडों के साथ युग्मित करके मनचाहे ऑन-डिमांड सिंगल-फोटॉन ध्रुवीकरण हेरफेर को सक्षम बनाता है, जिससे क्वांटम फोटोनिक सर्किट में एक प्रमुख सीमा को दूर किया जा सकता है।
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भविष्य के इंटरनेट की कल्पना कीजिए, जहाँ ईमेल्स और बिल्ली के वीडियो भेजने के बजाय, ब्रह्मांड के रहस्य भेजे जा रहे हों। यह क्वांटम सूचना की दुनिया है, जहाँ प्रकाश के छोटे पैकेट जिन्हें फोटॉन कहा जाता है, संदेशवाहक के रूप में कार्य करते हैं। ये फोटॉन सुपर-फास्ट, सुपर-स्टेबल कूरियर की तरह हैं जो डेटा को उन तरीकों से ले जा सकते हैं जिनके बारे में हमारे वर्तमान कंप्यूटर केवल सपने ही देख सकते हैं। आमतौर पर, एक संदेश भेजने के लिए, हमें यह तय करने की आवश्यकता होती है कि उसे कैसे एनकोड किया जाए। उन विशाल, भारी प्रयोगशालाओं में जहाँ वैज्ञानिकों ने पहली बार सिद्ध किया कि क्वांटम कंप्यूटर काम करते हैं, वे अक्सर संदेश ले जाने के लिए फोटॉन के यात्रा पथ (दिशा) का उपयोग करते हैं। लेकिन कल्पना कीजिए कि आप उन विशाल, मेज के आकार के लेजर सेटअपों से एक छोटा, पोर्टेबल क्वांटम कंप्यूटर बनाने की कोशिश कर रहे हैं। यह एक पूरे ऑर्केस्ट्रा को जेब घड़ी में फिट करने जैसा है।
क्वांटम कंप्यूटर को चिप पर फिट होने के लिए इतना छोटा बनाने के लिए, वैज्ञानिक सब कुछ सिकोड़ने की कोशिश कर रहे हैं। समस्या यह है कि जब आप सिस्टम को सिकोड़ते हैं, तो आप संदेश के "रंग" को आसानी से बदलने की क्षमता खो देते हैं। क्वांटम दुनिया में, एक फोटॉन का "रंग" केवल लाल या नीले प्रकाश के बारे में नहीं है; यह उसके ध्रुवीकरण (पोलराइजेशन) के बारे में है, जो ऐसा है जैसे फोटॉन का विद्युत क्षेत्र उड़ते समय किस दिशा में डगमगा रहा है। ध्रुवीकरण को एक घूमते हुए लट्टू की तरह समझें: यह बाएं, दाएं, ऊपर, नीचे, या बीच के किसी भी कोण पर घूम सकता है। इस स्पिन को बदलना जटिल संदेश भेजने के लिए महत्वपूर्ण है, लेकिन इसे एक छोटी चिप पर करना एक दुःस्वप्न रहा है क्योंकि इसके लिए आवश्यक उपकरण आमतौर पर बहुत बड़े होते हैं जो इसमें फिट नहीं हो पाते। यह शोध पत्र इस सूक्ष्म, भीड़भाड़ वाली दुनिया में कदम रखता है ताकि यह देखा जा सके कि क्या हम एक ऐसा स्विच बना सकते हैं जो आपकी मांग पर फोटॉन के स्पिन को बदल सके, ठीक वहीं जहाँ वह रहता है।
शोधकर्ता, लू, लियाओ और वांग, इस "बहुत बड़ा है जो फिट नहीं होता" वाली समस्या को हल करने के लिए एक चतुर तरकीब का प्रस्ताव देते हैं। विशाल दर्पणों या भारी क्रिस्टलों का उपयोग करने के बजाय, वे एक एकल, सूक्ष्म परमाणु (या इसी तरह के क्वांटम उत्सर्जक) का उपयोग करने का सुझाव देते हैं जो एक सूक्ष्म सुरंग के भीतर स्थित है जिसे वेवगाइड (waveguide) कहा जाता है। वेवगाइड को प्रकाश के लिए एक गलियारे के रूप में देखें, लेकिन इस गलियारे में एक विशेष गुण है: इसमें अगल-बगल में दो समान पथ चलते हैं, एक क्षैतिज (horizontal) रूप से डगमगाते प्रकाश के लिए और एक ऊर्ध्वाधर (vertical) रूप से डगमगाते प्रकाश के लिए। इन्हें "डैजेनरेट मोड्स" (degenerate modes) कहा जाता है, जो बस एक फैंसी तरीका है यह कहने का कि वे समान ऊर्जा वाले जुड़वां हैं लेकिन अलग-अलग दिशाओं में हैं।
यहाँ जादू वाला हिस्सा है: परमाणु एक तीन-स्तरीय प्रणाली (three-level system) है, जिसका अर्थ है कि इसमें एक निचला तल, एक मध्य तल और एक ऊपरी तल है। शोधकर्ता परमाणु को इस तरह डिजाइन करते हैं कि उसका एक "सीढ़ी" (ट्रांजिशन) एक ही समय में दोनों क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर प्रकाश पथों से बात कर सके। लेकिन सबसे बड़ी बात यह है कि वे एक बाहरी लेजर बीम के नॉब को घुमाकर यह नियंत्रित कर सकते हैं कि परमाणु प्रत्येक पथ से कितनी बात करता है। यह बाहरी बीम एक रिमोट कंट्रोल की तरह कार्य करती है, जो परमाणु के मिजाज और प्रकाश के साथ उसकी अंतःक्रिया को समायोजित करती है।
जब एक फोटॉन इस गलियारे में प्रवेश करता है, तो वह परमाणु से टकराता है। इस बात पर निर्भर करते हुए कि वैज्ञानिकों ने उस बाहरी लेजर को कैसे ट्यून किया है, परमाणु फोटॉन को पकड़ सकता है और उसे पूरी तरह से अलग स्पिन के साथ पुन: उत्सर्जित कर सकता है। यदि फोटॉन क्षैजंत (horizontal) रूप से घूमते हुए आया है, तो परमाणु उसे ऊर्ध्वाधर (vertical) स्पिन, गोलाकार (circular) स्पिन, या उनके बीच के किसी भी मिश्रण में बदल सकता है। यह एक क्लब के एक जादुई बाउंसर की तरह है जो एक ऐसे अतिथि को ले सकता है जिसने लाल टोपी पहनी है और तुरंत उसे नीली, हरी टोपी या ऐसी टोपी से बदल सकता है जो गोल घूमती है, और वह भी केवल अपनी छड़ी लहराकर।
शोध पत्र दिखाता है कि यह सेटअप अविश्वसनीय रूप से कुशल है। उनके सिमुलेशन में, रूपांतरण लगभग पूर्ण है, जिसका अर्थ है कि लगभग कोई प्रकाश नष्ट या बर्बाद नहीं होता है। इससे भी बेहतर, यह सिस्टम "एंटी-डिसिपेशन" (anti-dissipation) है, जिसका अर्थ है कि यह उस सामान्य शोर और ऊर्जा हानि को अनदेखा करने में बहुत अच्छा है जो सूक्ष्म क्वांटम उपकरणों को प्रभावित करती है। यह इलेक्ट्रोमैग्नेटिकली इंड्यूस्ड ट्रांसपेरेंसी (EIT) नामक एक घटना के कारण है, जो सुनने में कठिन लगता है लेकिन एक ढाल की तरह कार्य करता है जो प्रकाश को बिना अटके या अवशोषित हुए गुजरने देता है।
टीम ने यह भी जांचा कि क्या यह वास्तविक दुनिया में काम करेगा, जहाँ चीजें पूरी तरह से संरेखित (aligned) नहीं होती हैं। उन्होंने सिमुलेशन किया कि क्या होता है यदि परमाणु केंद्र से थोड़ा हटकर हो या यदि गलियारा एक आदर्श वर्ग न हो। इन खामियों के बावजूद, सिस्टम अभी भी 90% से 95% दक्षता के साथ काम करता है। यह सुझाव देता है कि हमें इसे बनाने के लिए एक आदर्श प्रयोगशाला की आवश्यकता नहीं है; एक थोड़ी खामी वाली चिप भी अपना काम कर देगी।
सबसे रोमांचक खोज यह है कि यह उपकरण "परमाणु-स्तर" (atomic-scale) का है। यह इतना छोटा है कि इसे हजारों अन्य घटकों के साथ एक चिप पर पैक किया जा सकता है, जिससे पूरे क्वांटम कंप्यूटर को एक माइक्रोचिप के आकार तक छोटा किया जा सकता है। यह सिद्ध करके कि हम इतने छोटे, कुशल और ट्यूनेबल डिवाइस के साथ एकल फोटॉन के ध्रुवीकरण को नियंत्रित कर सकते हैं, लेखकों ने क्वांटम सर्किट बनाने के एक नए तरीके का द्वार खोल दिया है। हर जानकारी के टुकड़े के लिए एक अलग पथ की आवश्यकता के बजाय, अब हम प्रकाश के स्पिन में डेटा को एनकोड कर सकते हैं, सीधे चिप पर। यह क्वांटम तकनीक को केवल एक प्रयोगशाला प्रयोग के बजाय, भविष्य के लिए एक व्यावहारिक उपकरण बनाने की कुंजी हो सकती है।
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