All-mechanical coherence protection and fast control of a spin qubit

क्वांटम इंटरनेट बनाने की खोज में, वैज्ञानिक एक ऐसा तरीका खोज रहे हैं जिससे सूचना को बिना खोए छोटे, स्थिर कंप्यूटरों के बीच स्थानांतरित किया जा सके। ये कंप्यूटर, जिन्हें क्यूबिट्स कहा जाता है, अक्सर इलेक्ट्रॉन के स्पिन पर निर्भर करते हैं—एक ऐसा गुण जो एक छोटे, आंतरिक दिशा-सूचक यंत्र (कंपास सुई) की तरह कार्य करता है ताकि डेटा को संग्रहीत किया जा सके। चुनौती यह है कि ये सुइयाँ अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील होती हैं; वातावरण से होने वाला मामूली सा कंपन या चुंबकीय फुसफुसाहट भी सूचना को अस्त-व्यस्त कर सकती है, जिससे कंप्यूटर भूल सकता है कि वह क्या कर रहा था। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने लंबे समय से संदेशों को नोड्स के बीच ले जाने के लिए प्रकाश, या फोटॉन्स की ओर देखा है। हालाँकि, प्रकाश बहुत अधिक स्थान घेरता है और आसानी से स्वयं के साथ हस्तक्षेप कर सकता है। एक अधिक सघन विकल्प फोनोन (phonon) है, जो ध्वनि या कंपन का एक कण है जो ठोस पदार्थों के माध्यम से यात्रा करता है। क्योंकि ध्वनि तरंगें प्रकाश तरंगों की तुलना में बहुत छोटी होती हैं और जिन सामग्रियों के माध्यम से वे यात्रा करती हैं उनके साथ मजबूती से परस्पर क्रिया करती हैं, वे एक ही चिप पर घने, कुशल नेटवर्क बनाने के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करती हैं। लेकिन संदेशवाहक के रूप में ध्वनि का उपयोग करने के लिए, वैज्ञानिकों को पहले यह सिद्ध करना था कि वे शोर से क्यूबिट की रक्षा करते हुए साथ ही ध्वनि का उपयोग करके उसे नियंत्रित भी कर सकते हैं, जो एक ऐसा कार्य था जो लगभग असंभव प्रतीत होता था क्योंकि क्यूबिट को ढालने के लिए उपयोग की जाने वाली विधियाँ अक्सर उससे बात करने की विधियों से टकरा जाती थीं।

हार्वर्ड यूनिवर्सिटी और शिकागो यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब डायमंड क्रिस्टल में 'सिलिकॉन वेकेंसी' नामक दोष का उपयोग करके इस नाजुक संतुलन को प्राप्त करने का एक तरीका प्रदर्शित किया है। अपने प्रयोग में, उन्होंने एक एकल डायमंड चिप को अत्यधिक ठंडे रेफ्रिजरेटर के भीतर रखा ताकि यादृच्छिक थर्मल कंपनों को रोका जा सके। इस डायमंड के ऊपर, उन्होंने इंटरडिजिटल ट्रांसड्यूसर्स नामक छोटे धातु के अंगुलियों जैसे ढांचे बनाए, जो स्पीकर की तरह कार्य करते हैं जो विद्युत संकेतों को यांत्रिक तरंगों में परिवर्तित करते हैं। जब उन्होंने इन स्पीकरों में एक विशिष्ट माइक्रोवेव सिग्नल भेजा, तो इसने डायमंड की सतह पर ध्वनि तरंगों की एक निरंतर धारा उत्पन्न की। इन तरंगों ने केवल सिलिकॉन वेकेंसी के पास से गुजरना ही नहीं किया; बल्कि इन्होंने क्रिस्टल लैटिस को एक सटीक लय में हिलाया जो इलेक्ट्रॉन के स्पिन की प्राकृतिक आवृत्ति से मेल खाती थी। इस निरंतर कंपन ने इलेक्ट्रॉन के लिए एक नया, स्थिर अवस्था बनाया, जो प्रभावी रूप से इसे आसपास के अराजक चुंबकीय शोर से बचाता है।

शोधकर्ताओं ने पाया कि इस मैकेनिकल फील्ड को सक्रिय रखकर, वे इलेक्ट्रॉन द्वारा सूचना को धारण करने के समय को उस समय की तुलना में तीन गुना से अधिक बढ़ा सकते हैं जब यह फील्ड बंद था। शांत, असुरक्षित अवस्था में, इलेक्ट्रॉन की स्मृति लगभग 680 नैनोसेकंड तक बनी रहती थी और फिर फीकी पड़ जाती थी। निरंतर मैकेनिकल सुरक्षा के साथ, यह समय बढ़कर 2 माइक्रोसेकंड से अधिक हो गया। यह सुरक्षा इसलिए काम कर पाई क्योंकि निरंतर कंपन ने इलेक्ट्रॉन को उन धीमी, अस्थिर चुंबकीय उतार-चढ़ाव के प्रति कम संवेदनशील बना दिया जो आमतौर पर त्रुटियां पैदा करते हैं। महत्वपूर्ण रूप से, टीम ने दिखाया कि वे इन्हीं मैकेनिकल तरंगों का उपयोग करके इस संरक्षित इलेक्ट्रॉन को पढ़ और लिख सकते थे। उन्होंने इलेक्ट्रॉन की अवस्था को बदलने के लिए दूसरे, कमजोर साउंड पल्स का उपयोग किया और यह देखने के लिए लेजर का उपयोग किया कि क्या हुआ। इससे यह सिद्ध हुआ कि इलेक्ट्रॉन को एक ही समय में शोर से सुरक्षित भी रखा जा सकता है और ध्वनि द्वारा नियंत्रित भी किया जा सकता है, जो एक ऐसा संयोजन था जो पहले फोनन-आधारित नेटवर्क बनाने के लिए एक बड़ी बाधा था।

मेमोरी की सुरक्षा करने के अलावा, टीम ने पाया कि उनकी विधि ने अविश्वसनीय रूप से तेज़ नियंत्रण की अनुमति दी। वे इलेक्ट्रॉन को प्रति सेकंड 800 मिलियन बार आगे-पीछे घुमाने में सक्षम थे, जो एक ऐसी गति है जो इस प्रकार के सिस्टम के लिए एक नया रिकॉर्ड स्थापित करती है। यह तीव्र स्विचिंग जटिल गणनाओं को तेजी से करने के लिए आवश्यक है इससे पहले कि सूचना खराब होने का अवसर मिले। शोधकर्ताओं ने यह गति इसलिए प्राप्त की क्योंकि उनके सेटअप ने विद्युत संकेतों को उच्च दक्षता के साथ मैकेनिकल स्ट्रेन (यांत्रिक तनाव) में बदल दिया, जिससे उन्हें चुंबकीय क्षेत्रों पर निर्भर पिछले तरीकों की तुलना में इलेक्ट्रॉन को कहीं अधिक तीव्रता से संचालित करने में मदद मिली। उन्होंने यह भी देखा कि इन चरम गतियों पर, इलेक्ट्रॉन का व्यवहार अधिक जटिल हो गया, जिसमें एक साथ कई आवृत्तियाँ दिखाई दीं, जो यह सुझाव देता है कि सिस्टम भौतिकी के एक नए क्षेत्र में प्रवेश कर रहा है जहाँ मानक सरल मॉडल अब लागू नहीं होते।

इस कार्य का महत्व दो पहले से परस्पर विरोधी जरूरतों को एकीकृत करने की क्षमता में निहित है: शोर से क्यूबिट को अलग करने की आवश्यकता और इसके साथ मजबूती से संवाद करने की आवश्यकता। ध्वनि तरंगों का उपयोग करके एक सुरक्षा कवच बनाने के साथ-साथ नियंत्रण के उपकरण के रूप में उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने हाई-फिडेलिटी क्वांटम गेट्स के लिए एक मार्ग प्रशस्त किया है, जो एक क्वांटम कंप्यूटर के कार्य करने के लिए आवश्यक बुनियादी संचालन हैं। उन्होंने प्रदर्शित किया कि सूचना को सीधे प्रकाश का उपयोग करके आरंभ और पढ़ा जा सकता है, जिसके लिए अवस्था को स्थानांतरित करने के लिए जटिल अतिरिक्त चरणों की आवश्यकता नहीं है। इस सरलता, तीव्र गति और विस्तारित मेमोरी समय के साथ मिलकर, यह सुझाव देती है कि डायमंड में सिलिकॉन वेकेंसी भविष्य के क्वांटम नेटवर्क के लिए स्थिर नोड्स के रूप में कार्य कर सकते हैं जहाँ सूचना को ध्वनि द्वारा निर्देशित किया जाता है। हालांकि शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि डायमंड को पर्याप्त ठंडा रखने के लिए ध्वनि तरंगों से होने वाली गर्मी को सावधानीपूर्वक प्रबंधित किया जाना चाहिए, उनके परिणाम दर्शाते हैं कि यह व्यापार प्रबंधनीय है और इस पूर्णतः मैकेनिकल दृष्टिकोण के लाभ पर्याप्त हैं। यह कार्य मजबूत, ऑन-चिप क्वांटम नेटवर्क की ओर एक महत्वपूर्ण कदम है जो एक दिन ठोस दुनिया के कंपनों का उपयोग करके क्वांटम कंप्यूटरों को आपस में जोड़ सकेंगे।