Toward triggered generation of indistinguishable single-photons from MoTe$_2$ quantum emitters

अल्ट्रा-सिक्योर संचार और शक्तिशाली कंप्यूटिंग का भविष्य एक बहुत ही विशिष्ट प्रकार के प्रकाश पर निर्भर करता है: सिंगल फोटॉन। ये प्रकाश के व्यक्तिगत कण हैं जो सूचना को उस शोर और हस्तक्षेप के बिना ले जा सकते हैं जो पारंपरिक संकेतों को प्रभावित करता है। इन प्रणालियों को लंबी दूरी तक काम करने के लिए, फोटॉन 'इंडिस्टिंग्विशेबल' (indistinguishable) होने चाहिए, जिसका अर्थ है कि वे हर तरह से समान हों, जैसे कि दो सिक्के जो बिल्कुल एक ही सांचे से और एक ही क्षण में ढाले गए हों। यदि वे थोड़े भी भिन्न होते हैं, तो इन तकनीकों के लिए आवश्यक नाजुक क्वांटम प्रभाव टूट जाते हैं। हालांकि वैज्ञानिकों ने इन सिंगल फोटॉन को बनाने के तरीके खोज लिए हैं, लेकिन उन्हें उन तरंग दैर्ध्य (wavelengths) पर बनाना कठिन रहा है जिनका उपयोग वैश्विक दूरसंचार नेटवर्क में किया जाता है। अधिकांश मौजूदा स्रोत दृश्य प्रकाश (visible light) आवृत्तियों पर संचालित होते हैं, जो फाइबर ऑप्टिक केबलों द्वारा जल्दी अवशोषित कर लिए जाते हैं, जिससे वे लंबी दूरी की यात्रा के लिए अनुपयुक्त हो जाते हैं। शोधकर्ता एक ऐसे पदार्थ की तलाश में रहे हैं जो इंटरनेट में उपयोग किए जाने वाले निकट-अवरक्त (near-infrared) तरंग दैर्ध्य पर इन पूर्ण, समान फोटॉनों को उत्पन्न कर सके, लेकिन एक विश्वसनीय और उच्च-गुणवत्ता वाला स्रोत खोजना एक महत्वपूर्ण बाधा बनी हुई है।

डेनमार्क की टेक्निकल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब मोलिब्डेनम डिटेलराइड (molybdenum ditelluride) नामक पदार्थ का उपयोग करके इन मायावी प्रकाश कणों को बनाने का एक नया तरीका प्रदर्शित किया है। यह पदार्थ एक द्वि-आयामी (two-dimensional) क्रिस्टल है, जिसका अर्थ है कि यह केवल कुछ परमाणु मोटा है, और यह स्वाभाविक रूप से निकट-अवरक्त रेंज में प्रकाश उत्सर्जित करता है, जो अन्य पदार्थों की तुलना में दूरसंचार में उपयोग किए जाने वाले तरंग दैर्ध्य के बहुत करीब है। चुनौती यह रही है कि हालांकि यह पदार्थ प्रकाश उत्सर्जित कर सकता है, लेकिन इसके द्वारा उत्पादित फोटॉन आमतौर पर 'मेसी' (messy) होते हैं, जिनमें अलग-अलग रंग और समय होता है जो उन्हें उन्नत क्वांटम कार्यों के लिए असंभव बना देता है। शोधकर्ताओं ने इस सामग्री को नियंत्रित वातावरण बनाकर इसे ठीक करने का लक्ष्य रखा जहाँ वे इस पदार्थ को मांग के अनुसार पूर्ण, समान फोटॉन उत्सर्जित करने के लिए मजबूर कर सकें।

इसे प्राप्त करने के लिए, टीम ने अपने क्रिस्टल के लिए एक विशेष मंच बनाया। उन्होंने एक दर्पण जैसी सतह से शुरुआत की जिसे प्रकाश को आगे-पीछे परावर्तित करने के लिए डिज़ाइन किया गया था, ताकि एकत्र किए जा सकने वाले प्रकाश की मात्रा को अधिकतम किया जा सके। इसके ऊपर, उन्होंने कठोर रेजिन से बने छोटे, तारे के आकार के स्तंभ रखे। जब उन्होंने मोलिब्डेनम डिटेलराइड की एक पतली परत इन स्तंभों पर रखी, तो पदार्थ स्वाभाविक रूप से इन नुकीले बिंदुओं के चारों ओर मुड़ गया और सिकुड़ गया। इन सिलवटों ने क्रिस्टल के भीतर तीव्र भौतिक तनाव वाले क्षेत्र बनाए। शोधकर्ताओं ने इन तनावग्रस्त क्षेत्रों में इलेक्ट्रॉनों की एक केंद्रित बीम का उपयोग करके सूक्ष्म, विशिष्ट दोष (defects) बनाए। भौतिक तनाव और परमाणु-स्तर के नुकसान का यह संयोजन एक जाल की तरह काम करता है, जो ऊर्जा को क्रिस्टल के भीतर एक छोटे से बिंदु में सीमित कर देता है जहाँ वह एक सिंगल फोटॉन के रूप में निकल सकता है।

परिणाम इस पदार्थ के पिछले प्रयासों की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार थे। टीम ने पाया कि इन इंजीनियर किए गए उत्सर्जकों (emitters) ने तरंग दैर्ध्य की एक बहुत ही विशिष्ट सीमा, 1090 और 1200 नैनोमीटर के बीच, में प्रकाश उत्पन्न किया, जो स्पेक्ट्रम के निकट-अवरक्त भाग में है। उनके द्वारा उत्सर्जित प्रकाश अत्यधिक ध्रुवीकृत (polarized) था, जिसका अर्थ है कि प्रकाश की तरंगें एक ही, सुसंगत दिशा में कंपन करती थीं, जो एक नियंत्रित स्रोत का संकेत है। सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि फोटॉन बहुत तेज़ी से उत्सर्जित हुए, जिनका जीवनकाल केवल 130 से 450 पिकोसेकंड (picoseconds) था, जो एक सेकंड का एक ट्रिलियनवाँ हिस्सा है। यह गति महत्वपूर्ण है क्योंकि यह फोटॉन के अपने वातावरण के साथ परस्पर क्रिया करने और "मेसी" होने के समय को कम करती है।

यह सिद्ध करने के लिए कि ये वास्तव में सिंगल फोटॉन थे न कि केवल मंद प्रकाश, शोधकर्ताओं ने मापा कि फोटॉन डिटेक्टर तक पहुँचने पर कैसे व्यवहार करते हैं। उन्होंने पाया कि फोटॉन एक-एक करके पहुँचे, और एक ही समय में दो फोटॉनों के आने की संभावना बहुत कम थी। लेज़र के माध्यम से सामग्री को उत्तेजित करने के तरीके को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, वे बैकग्राउंड शोर को लगभग शून्य तक कम करने में सफल रहे, जिसके परिणामस्वरूप शुद्धता का स्तर ऐसा रहा जहाँ दूसरे फोटॉन के प्रकट होने की संभावना एक प्रतिशत से भी कम थी। उन्होंने यह भी खोजा कि डिवाइस पर एक छोटा विद्युत वोल्टेज लागू करके, वे उत्सर्जित प्रकाश के रंग को एक छोटे लेकिन उपयोगी स्तर तक बदल सकते हैं। यह ट्यूनिंग क्षमता विभिन्न उत्सर्जकों के रंगों को मिलाने के लिए आवश्यक है ताकि वे एक बड़े नेटवर्क में एक साथ काम कर सकें।

इन स्रोतों के लिए सबसे महत्वपूर्ण परीक्षण यह देखना था कि क्या ये फोटॉन 'इंडिस्टिंग्विशेबल' (indistinguishable) थे। शोधकर्ताओं ने एक प्रयोग स्थापित किया जहाँ स्रोत से दो फोटॉनों को एक बीम स्प्लिटर (beam splitter) पर मिलने के लिए भेजा गया। यदि फोटॉन समान हैं, तो वे एक विशिष्ट तरीके से एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप करेंगे, जिससे वे अलग होने के बजाय एक साथ बाहर निकलेंगे। टीम ने इस हस्तक्षेप को देखा, जिससे पुष्टि हुई कि फोटॉन वास्तव में इंडिस्टिंग्विशेबल थे। हालांकि यह प्रभाव पूर्ण नहीं था, लेकिन यह इस प्रकार के पदार्थ के लिए अब तक का सबसे मजबूत मापन था। केवल सबसे स्वच्छ क्षणों को देखने के लिए डेटा को फ़िल्टर करके, उन्होंने इंडिस्टिंग्विशेबिलिटी का एक ऐसा स्तर प्राप्त किया जो मोलिब्डेनम डिटेलराइड के साथ पहले कभी नहीं पहुँचा था।

यह कार्य क्वांटम तकनीक के लिए द्वि-आयामी क्रिस्टल के उपयोग में एक महत्वपूर्ण मोड़ है। यह दिखाता है कि भौतिक तनाव, सटीक दोष निर्माण और विद्युत नियंत्रण को जोड़कर, वैज्ञानिक एक कठिन पदार्थ को सिंगल फोटॉन के विश्वसनीय स्रोत में बदल सकते हैं। उत्सर्जन को ट्यून करने और उच्च शुद्धता प्राप्त करने की क्षमता यह सुझाव देती है कि इन स्रोतों को अंततः मौजूदा फाइबर ऑप्टिक नेटवर्क में एकीकृत किया जा सकता है जो इंटरनेट को शक्ति प्रदान करते हैं। हालांकि वर्तमान उपकरण अभी भी लंबी दूरी के दूरसंचार के लिए उपयोग किए जाने वाले सटीक तरंग दैर्ध्य तक नहीं पहुँचते हैं, लेकिन आगे का रास्ता स्पष्ट है। सामग्री की मोटाई को समायोजित करके और निर्माण प्रक्रिया को परिष्कृत करके, ये उत्सर्जक जल्द ही अगली पीढ़ी के क्वांटम संचार प्रणालियों में एक मानक घटक बन सकते हैं, जो अनहैक करने योग्य नेटवर्क और शक्तिशाली क्वांटम कंप्यूटरों के वादे को वास्तविकता के करीब लाते हैं।