Noise Mitigation in Single Microwave Photon Counting by Cascaded Quantum Measurements
यह शोध पत्र एक नए सुपरकंडक्टिंग सिंगल माइक्रोवेव फोटॉन डिटेक्टर को प्रस्तुत करता है जो शोर को कम करने के लिए कैस्केडेड फोर-वेव मिक्सिंग प्रक्रियाओं और ड्यूल-क्यूबिट एनकोडिंग का उपयोग करता है, जिससे 230 kHz बैंडविड्थ पर की रिकॉर्ड-लो पावर संवेदनशीलता प्राप्त होती है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखक ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
क्वांटम भौतिकी की अदृश्य दुनिया में, वैज्ञानिक लगातार प्रकृति की सबसे मंद फुसफुसाहटों को सुनने की कोशिश कर रहे हैं। दशकों से, प्रकाश के एकल कणों, जिन्हें फोटॉन कहा जाता है, का पता लगाना ऑप्टिकल विज्ञान का एक आधार स्तंभ रहा है, जिसने उन्नत चिकित्सा इमेजिंग से लेकर कंप्यूटिंग के सबसे सुरक्षित रूपों तक की तकनीकों को सक्षम बनाया है। हालाँकि, प्रकाश कई रूपों में आता है, और आधुनिक क्वांटम कंप्यूटरों में उपयोग किए जाने वाले फोटॉन वे चमकीली, दृश्य किरणें नहीं हैं जिन्हें हम अपनी आँखों से देखते हैं। ये माइक्रोवेव फोटॉन हैं, जो दृश्य प्रकाश की तुलना में बहुत कम ऊर्जा वहन करते हैं। क्योंकि वे इतने कमजोर होते हैं, उनमें से एक अकेले को पहचानना अविश्वसनीय रूप से कठिन है; कमरे के तापमान पर, वातावरण की गर्मी शोर का एक ऐसा गर्जना पैदा करती है जो संकेत (सिग्नल) को पूरी तरह से दबा देती है। इन मंद फुसफुसाहटों को सुनने के लिए, शोधकर्ताओं को अपने उपकरणों को परम शून्य (absolute zero) के करीब के तापमान तक ठंडा करना पड़ता है, जो बाहरी अंतरिक्ष की गहराइयों से भी अधिक ठंडा है। इसके बाद भी, चुनौती बनी रहती है: एक एकल, बहुमूल्य माइक्रोवेव फोटॉन को उस यादृच्छिक तापीय शोर (thermal noise) से अलग करना जो स्वाभाविक रूप से सिस्टम में मौजूद होता है।
शोधकर्ताओं के एक दल ने अब अभूतपूर्व स्पष्टता के साथ इन फुसफुसाहटों को सुनने का एक नया तरीका विकसित किया है। उन्होंने एक ऐसा उपकरण बनाया है जो पहले कभी न मिली संवेदनशीलता के साथ व्यक्तिगत माइक्रोवेव फोटॉनों को गिन सकता है। उनकी सफलता की कुंजी 'रेडंडेंसी' (redundancy) की रणनीति में निहित है। एक एकल सेंसर पर निर्णय लेने के लिए निर्भर रहने के बजाय, उनका उपकरण दो अलग-अलग क्वांटम बिट्स का उपयोग करता है, जो छोटे, अत्यंत संवेदनशील झंडों (flags) के रूप में कार्य करते हैं। जब एक फोटॉन सिस्टम में प्रवेश करता है, तो यह एक ऐसी श्रृंखला अभिक्रिया (chain reaction) को सक्रिय करता है जिसे पहचान की पुष्टि करने के लिए दोनों झंडों को बदलना ही होगा। यदि केवल एक झंडा बदलता है, तो सिस्टम यह मान लेता है कि यह एक यादृच्छिक त्रुटि (glitch) थी और उसे अनदेखा कर देता है। यह सरल लेकिन शक्तिशाली विचार उपकरण को यादृच्छिक त्रुटियों के कारण होने वाले बड़ी संख्या में झूठे अलार्मों को छानने की अनुमति देता है, जिससे वास्तविक फोटॉन का एक स्पष्ट संकेत बच जाता है।
शोधकर्ताओं ने, लगभग दस मिलीकेल्विन तक ठंडे किए गए उपकरणों के साथ काम करते हुए, प्रदर्शित किया कि यह नई वास्तुकला, जिसे वे 'कैस्केडेड सिंगल-माइक्रोवेव फोटॉन डिटेक्टर' कहते हैं, रिकॉर्ड तोड़ स्तर की सटीकता के साथ काम कर सकती है। अपने प्रयोगों में, उन्होंने उपकरण की शक्ति मापने की क्षमता को मापा और पाया कि यह 2.4 गुणा 10 की घात -23 वॉट प्रति वर्गमूल हर्ट्ज़ जितने कमजोर संकेतों को भी महसूस कर सकता है। यह संख्या माइक्रोवेव फोटॉन काउंटिंग के लिए अब तक दर्ज की गई सबसे कम पावर संवेदनशीलता का प्रतिनिधित्व करती है। इसे समझने के लिए, उपकरण इतना संवेदनशील है कि यह पृष्ठभूमि के शोर के अत्यंत कम होने पर भी एक एकल फोटॉन की उपस्थिति का पता लगा सकता है, जो कि एकल-सेंसर डिजाइनों के साथ पहले असंभव था।
इस उपलब्धि के मार्ग में शोर से संबंधित महत्वपूर्ण बाधाओं को पार करना शामिल था। पिछले प्रयासों में, डिटेक्टर अक्सर तापीय फोटॉनों (thermal photons)—जो वातावरण की गर्मी से उत्पन्न ऊर्जा के यादृच्छिक पैकेट हैं—या स्वयं सेंसरों द्वारा की जाने वाली गलतियों से धोखा खा जाते थे। नया डिज़ाइन इन मुद्दों को दो अलग-अलग तरीकों से संबोधित करता है। पहला, दो सेंसरों का उपयोग करके जिन्हें सहमत होना चाहिए, उपकरण प्रभावी रूप से उन त्रुटियों को रद्द कर देता है जो प्रत्येक सेंसर में स्वतंत्र रूप से होती हैं। दूसरा, शोधकर्ताओं ने उपकरण को लगभग 11.7 गीगाहर्ट्ज़ की उच्च आवृत्ति पर संचालित करने के लिए ट्यून किया। क्योंकि उच्च आवृत्ति वाले फोटॉन अधिक ऊर्जा वहन करते हैं, इसलिए उनके द्वारा निम्न आवृत्तियों को प्रभावित करने वाले यादृच्छिक तापीय शोर की नकल किए जाने की संभावना कम होती है। दोहरी-सेंसर जांच और उच्च ऑपरेटिंग आवृत्ति के इस संयोजन ने टीम को पृष्ठभूमि के शोर को उन स्तरों तक दबाने की अनुमति दी जहाँ वास्तविक संकेत अंततः सुना जा सके।
टीम ने अपने डिटेक्टर में फोटॉनों की एक धारा भेजकर और यह देखकर कि वे कितनी बार उन्हें सही ढंग से पहचानते हैं बनाम कितनी बार वे बिना फोटॉन के भी उसे देखने का झूठा दावा करते हैं, अपने उपकरण का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि जबकि उपकरण लगभग आधे समय फोटॉनों की सही पहचान करता था, इसने प्रति सेकंड केवल लगभग पांच बार झूठे अलार्म दिए। यह पुराने डिजाइनों की तुलना में एक नाटकीय सुधार है, जो प्रति सेकंड सैकड़ों बार झूठे अलार्म देते थे। शोधकर्ताओं ने यह भी दिखाया कि वे लागू किए गए नियंत्रण संकेतों की शक्ति को बदलकर उन आवृत्तियों की सीमा को समायोजित कर सकते हैं जिन्हें उपकरण सुनता है, जिससे उन्हें विभिन्न कार्यों के लिए डिटेक्टर को ट्यून करने की सुविधा मिलती है।
तकनीकी उपलब्धि से परे, यह कार्य नई वैज्ञानिक संभावनाओं के द्वार खोलता है। माइक्रोवेव ऊर्जा के इतने निम्न स्तरों को मापने की क्षमता का अर्थ है कि वैज्ञानिक अब इन डिटेक्टरों को प्राथमिक थर्मामीटर के रूप में उपयोग कर सकते हैं, जिससे वे माइक्रोवेव वातावरण के तापमान को अत्यधिक सटीकता के साथ माप सकते हैं। यह क्वांटम कंप्यूटरों के व्यवहार को समझने के लिए महत्वपूर्ण है, जहाँ गर्मी की सूक्ष्म मात्रा भी चल रही नाजुक गणनाओं को बाधित कर सकती है। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि उनका उपकरण डार्क मैटर के उम्मीदवारों का पता लगाने या व्यक्तिगत परमाणुओं के चुंबकीय गुणों का अध्ययन करने के लिए उपयोगी हो सकता है। यह सिद्ध करके कि वे इतने कम शोर के साथ एकल माइक्रोवेव फोटॉनों को विश्वसनीय रूप से गिन सकते हैं, टीम ने क्वांटम दुनिया का अन्वेषण करने के लिए एक शक्तिशाली नया उपकरण प्रदान किया है, जिससे एक कभी शोर भरे वातावरण को एक शांत स्थान में बदल दिया गया है जहाँ सबसे मंद संकेतों का विस्तार से अध्ययन किया जा सकता है।
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