Few-electron spin qubits in optically active GaAs quantum dots

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, सबसे छोटे काम करने वाले हिस्से पहले से ही अविश्वसनीय रूप से सूक्ष्म हैं, फिर भी वे कार्य करने के लिए अरबों इलेक्ट्रॉनों की गति पर निर्भर करते हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से इन उपकरणों को अंतिम सीमा तक छोटा करने की कोशिश कर रहे हैं: एक नन्हे पिंजरे में फंसा हुआ एक एकल इलेक्ट्रॉन। ये पिंजरे, जिन्हें क्वांटम डॉट्स कहा जाता है, कृत्रعي परमाणुओं (artificial atoms) के रूप में कार्य करते हैं जहाँ केवल एक या कुछ इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार को नियंत्रित किया जा सकता है। इस तकनीक का वादा क्वांटम कंप्यूटरों का निर्माण करना है, ऐसी मशीनें जो सूचना के बिट्स, या क्यूबिट्स (qubits) के रूप में इन एकल इलेक्ट्रॉनों का उपयोग करती हैं, ताकि उन समस्याओं को हल किया जा सके जो आज के सुपरकंप्यूटरों के लिए असंभव हैं। हालाँकि, एक विश्वसनीय क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को पहले इन डॉट्स के भीतर जटिल ऊर्जा परिदृश्य (energy landscape) को समझना होगा। उन्हें यह जानने की आवश्यकता है कि इलेक्ट्रॉन वास्तव में खुद को कैसे व्यवस्थित करते हैं, वे एक-दूसरे के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, और वे अपने क्वांटम अवस्था को खोने से पहले उसे कितनी देर तक थामे रख सकते हैं। कठिनाई इस नाजुक प्रणाली को बाधित किए बिना इसके भीतर झांकने में है; पारंपरिक तरीकों के लिए अक्सर उपकरण के माध्यम से विद्युत धारा भेजने की आवश्यकता होती है, जो इसे गर्म कर देती है और उन्हीं क्वांटम अवस्थाओं को नष्ट कर देती है जिनका अध्ययन वैज्ञानिक करने की कोशिश कर रहे हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने क्वांटम डॉट्स के भीतर बिना कोई विद्युत धारा भेजे, उनके अंदर झांकने का एक नया तरीका विकसित किया है। बिजली के बजाय, उन्होंने डॉट बनाने वाले परमाणुओं के स्पिन (spins) का उपयोग एक सेंसर के रूप में किया। कल्पना कीजिए कि डॉट के भीतर परमाणु नाभिक (atomic nuclei) अत्यंत सूक्ष्म, अदृश्य दिशा-सूचक यंत्रों (compass needles) की तरह हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि इन दिशा-सूचक यंत्रों के समय के साथ शिथिल होने (relax) या अपनी दिशा बदलने के तरीके को देखकर, वे सटीक रूप से यह पता लगा सकते थे कि अंदर कितने इलेक्ट्रॉन फंसे हुए हैं और उन इलेक्ट्रॉनों ने किन ऊर्जा अवस्थाओं को ग्रहण किया है। इस तकनीक ने उन्हें सात इलेक्ट्रॉनों तक वाले डॉट्स के लिए ऊर्जा स्तरों का मानचित्रण करने की अनुमति दी, जिससे व्यवहारों की एक समृद्ध विविधता प्रकट हुई जिसे पहले देखना कठिन था। उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे इलेक्ट्रॉन एक-एक करके जोड़े जाते हैं, वे विशिष्ट ऊर्जा कोशों (energy shells) को भरते हैं, ठीक वैसे ही जैसे पानी कई स्तरों वाले कटोरे में भरता है, लेकिन इसमें जटिल अंतःक्रियाएं शामिल हैं जो खेल के नियमों को बदल देती हैं।

यह अध्ययन गैलियम आर्सेनाइड से बने उच्च-गुणवत्ता वाले क्वांटम डॉट्स पर किया गया था, जो अपने उत्कृष्ट ऑप्टिकल गुणों के लिए जाना जाने वाला पदार्थ है। शोधकर्ताओं ने इन डॉट्स को एक बहुत ठंडे वातावरण में रखा और एक चुंबकीय क्षेत्र लगाया। उन्होंने परमाणु नाभिक के स्पिन को संरेखित करने के लिए एक लेजर का उपयोग किया, और फिर, लेजर को बंद करने के बाद, उन्होंने नाभिक की अवस्था की दोबारा जांच करने से पहले एक विशिष्ट समय तक प्रतीक्षा की। यह मापकर कि नाभिकों ने अपना संरेखण कितनी तेजी से खोया, वे बता सके कि अंदर के इलेक्ट्रॉन शांत और स्थिर थे या वे इस तरह से चल रहे थे जिससे नाभिकों में व्यवधान उत्पन्न हुआ। यह विधि, जो चार्ज के बजाय स्पिन के प्रवाह पर निर्भर करती है, एक गैर-आक्रामक प्रोब (non-invasive probe) सिद्ध हुई, जिससे वैज्ञानिकों को विद्युत धाराओं के कारण होने वाले व्यवधान से मुक्त, एक 'नियर-इक्विलिब्रियम' अवस्था में डॉट्स का अध्ययन करने की अनुमति मिली।

परिणामों ने क्वांटम डॉट के आंतरिक भाग का एक विस्तृत मानचित्र प्रस्तुत किया। शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रॉनों को निम्नतम ऊर्जा कोश, जिसे s-शेल कहा जाता है, को भरने और फिर अगले उच्च कोश, p-शेल में जाने का अवलोकन किया। उन्होंने प्रत्येक नए इलेक्ट्रॉन को जोड़ने के लिए आवश्यक ऊर्जा को मापा, और पाया कि एक इलेक्ट्रॉन जोड़ने की लागत इस बात पर निर्भर करती है कि पहले से ही अंदर कितने इलेक्ट्रॉन मौजूद हैं। उदाहरण के लिए, एक डॉट जिसमें पहले से एक इलेक्ट्रॉन है, उसमें दूसरा इलेक्ट्रॉन जोड़ना अपेक्षाकृत आसान है, लेकिन तीसरा जोड़ने के लिए काफी अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है क्योंकि इलेक्ट्रॉनों को एक उच्च ऊर्जा स्तर पर कब्जा करना पड़ता है। टीम ने एक विशिष्ट बिंदु की भी पहचान की जहाँ इलेक्ट्रॉनों का व्यवहार नाटकीय रूप से बदल जाता है। जब चार इलेक्ट्रॉन डॉट में फंसे होते हैं, तो सिस्टम एक अवस्था परिवर्तन (phase transition) से गुजरता है। कम चुंबकीय क्षेत्र पर, इलेक्ट्रॉन एक शुद्ध स्पिन (net spin) वाली अवस्था बनाते हैं, जो एक छोटे चुंबक की तरह व्यवहार करते हैं। हालाँकि, जैसे-जैसे चुंबकीय क्षेत्र बढ़ता है, इलेक्ट्रॉन खुद को एक ऐसी अवस्था में पुनर्गठित कर लेते हैं जिसमें कोई शुद्ध स्पिन नहीं होता, जो प्रभावी रूप से उनके चुंबकीय गुणों को रद्द कर देता है। इस संक्रमण का पता सीधे यह देखकर लगाया गया कि बदलते इलेक्ट्रॉन विन्यास के प्रति नाभिकीय स्पिन कैसे प्रतिक्रिया करते हैं।

सबसे आश्चर्यजनक निष्कर्षों में से एक इस बात से संबंधित था कि चार इलेक्ट्रॉन मौजूद होने पर नाभिकीय स्पिन कितनी तेजी से शिथिल (relax) होते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह शिथिलता केवल एक इलेक्ट्रॉन होने की तुलना में सैकड़ों गुना तेज थी। यह तीव्र परिवर्तन केवल एक साधारण अंतःक्रिया नहीं थी बल्कि एक जटिल तंत्र था जहाँ चार इलेक्ट्रॉन पूरे डॉट में स्पिन सूचना के तीव्र प्रसार (diffusion) को सुगम बनाते हैं। सैद्धांतिक मॉडलों ने सुझाव दिया कि ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि चार इलेक्ट्रॉनों ने एक अनूठी अवस्था बनाई जहाँ उनके स्पिन चुंबकीय क्षेत्र के सापेक्ष झुके हुए थे, जिससे वे सामान्य की तुलना में नाभिकों के साथ बहुत अधिक कुशलता से 'फ्लिप-फ्लॉप' (flip-flop) कर सके। यह खोज बताती है कि इलेक्ट्रॉनों की संख्या को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, वैज्ञानिक संभावित रूप से ऐसे पदार्थों को इंजीनियर कर सकते हैं जो अभूतपूर्व गति के साथ स्पिन सूचना को संचालित कर सकें।

टीम ने यह भी देखा कि जब पांच इलेक्ट्रॉन डॉट में फंसे होते हैं तो क्या होता है। इस विन्यास में, उन्होंने स्पिन-ऑर्बिट कपलिंग (spin-orbit coupling) के एक सूक्ष्म संकेत को देखा, जो एक ऐसी घटना है जहाँ इलेक्ट्रॉन का स्पिन उसकी गति के साथ अंतःक्रिया करता है। यह प्रभाव उच्च चुंबकीय क्षेत्रों में सबसे मजबूत था और यह उनके मापों में एक अतिरिक्त शिखर (peak) के रूप में दिखाई दिया, एक ऐसी विशेषता जिसे सिद्धांत द्वारा भविष्यवाणी की गई थी लेकिन इस प्रकार की सामग्री में पहले कभी स्पष्ट रूप से नहीं देखा गया था। यह अवलोकन इस बात की ओर संकेत करता है कि इन बहु-इलेक्ट्रॉन अवस्थाओं का उपयोग चुंबकीय क्षेत्रों के बजाय विद्युत क्षेत्रों का उपयोग करके क्यूबिट्स को नियंत्रित करने के लिए किया जा सकता है, जो अधिक तेज़ और स्केलेबल क्वांटम उपकरणों की ओर ले जा सकता है।

इसके अलावा, शोधकर्ताओं ने प्रदर्शन किया कि वे न केवल इन अवस्थाओं को माप सकते हैं बल्कि उन्हें नियंत्रित भी कर सकते हैं। उन्होंने सफलतापूर्वक एक एकल इलेक्ट्रॉन के स्पिन को आरंभ (initialize) किया और उसकी अवस्था को उच्च सटीकता (fidelity) के साथ पढ़ा, जो इन डॉट्स को क्यूबिट के रूप में उपयोग करने के लिए एक महत्वपूर्ण कदम है। उन्होंने यह भी मापा कि सूचना खोने से पहले उनके इलेक्ट्रॉन स्पिन कितने समय तक जीवित रह सकते हैं, और पाया कि कुछ विन्यासों में, स्पिन 50 मिलीसेकंड तक रह सकते हैं। क्वांटम जगत में यह एक बहुत लंबा समय है, जो यह सुझाव देता है कि ये कुछ-इलेक्ट्रॉन अवस्थाएं व्यावहारिक क्वांटम कंप्यूटिंग अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त मजबूत हैं। अध्ययन ने यह भी दिखाया कि क्वांटम डॉट्स के आकार और आकृति को बदलकर, संभवतः इन क्यूबिट्स को उच्च तापमान पर संचालित किया जा सकता है, जिससे वर्तमान की 'निकट-निरपेक्ष शून्य' (near-absolute zero) की आवश्यकता से हटकर एक अधिक प्रबंधनीय 'कुछ केल्विन' की ओर बढ़ा जा सकता है।

यह कार्य ऑप्टिकली सक्रिय क्वांटम डॉट्स में अल्प-इलेक्ट्रॉन अवस्थाओं का एक व्यापक दृष्टिकोण प्रदान करता है, जो सैद्धांतिक मॉडलों और प्रयोगात्मक वास्तविकता के बीच के अंतर को पाटता है। नाभिकीय स्पिनों का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने पारंपरिक विद्युत मापों की खामियों से बचते हुए, क्वांटम गतिशीलता की एक स्पष्ट तस्वीर प्राप्त की। उनके निष्कर्ष पुष्टि करते हैं कि ये डॉट्स अद्वितीय गुणों, जैसे कि चरण संक्रमण (phase transitions) और उन्नत स्पिन प्रसार (spin diffusion) के साथ जटिल बहु-इलेक्ट्रॉन विन्यासों का समर्थन कर सकते हैं। हालाँकि एक पूर्ण रूप से कार्यात्मक क्वांटम कंप्यूटर का मार्ग अभी लंबा है, यह शोध क्वांटम सूचना के निर्माण खंडों को समझने और हेरफेर करने के लिए एक नया टूलकिट प्रदान करता है। इन अवस्थाओं को बिना बाधित किए जांचने और नियंत्रित करने की क्षमता मौलिक भौतिकी को उन तरीकों से खोजने के द्वार खोलती है जो पहले असंभव थे, जिससे स्केलेबल क्वांटम तकनीक का सपना वास्तविकता के एक कदम और करीब आ गया है।