Coherent oscillations in weakly anharmonic NbSe2 qubit

उन मशीनों के निर्माण की खोज जो आज के कंप्यूटरों के लिए असंभव तरीकों से सोच और गणना कर सकें, एक अत्यंत सूक्ष्म और नाजुक सूचना इकाई पर टिकी है जिसे क्यूबिट (qubit) कहा जाता है। एक मानक कंप्यूटर के बिट्स के विपरीत, जो या तो शून्य या एक होते हैं, एक क्यूबिट एक ही समय में दोनों की एक नाजुक अवस्था में रह सकता है, लेकिन केवल तभी जब इसे अपने आस-पास की शोर भरी और अराजक दुनिया से पूरी तरह अलग रखा जाए। इसे प्राप्त करने के लिए, वैज्ञानिक अक्सर सुपरकंडक्टिंग सर्किट का उपयोग करते हैं, जो विद्युत लूप हैं जिनमें बिना किसी प्रतिरोध के करंट बहता है, लेकिन केवल तभी जब उन्हें परम शून्य (absolute zero) के करीब के तापमान तक ठंडा किया जाता है। इन सर्किटों का हृदय एक विशेष जंक्शन है जो एक द्वारपाल (gatekeeper) के रूप में कार्य करता है, जिससे क्यूबिट एक क्वांटम ऑसिलेटर की तरह व्यवहार कर सके। वर्षों से, शोधकर्ताओं ने इन जंक्शन्स को एल्युमीनियम का उपयोग करके बनाया है, जो एक ऐसी सामग्री है जिसकी निर्माण प्रक्रिया अच्छी तरह से समझी जा चुकी है। हालाँकि, एल्युमीनियम की सीमाएँ हैं; यह सूक्ष्म दोषों के प्रति संवेदनशील है और मजबूत चुंबकीय क्षेत्रों में कार्य करने में संघर्ष करता है, जो वैज्ञानिकों को ब्रह्मांडीय जासूसी के कुछ प्रकारों, जैसे कि उन अदृश्य कणों की खोज करना जो डार्क मैटर (dark matter) बना सकते हैं, के लिए इन शक्तिशाली क्वांटम उपकरणों का उपयोग करने से रोकता है।

इन बाधाओं को दूर करने के लिए, शोधकर्ताओं की एक टीम ने वैन डेर वाल्स सॉलिड्स (van der Waals solids) के रूप में जानी जाने वाली एक अलग श्रेणी की सामग्रियों की ओर रुख किया है। कल्पना कीजिए कि ये ताश की गड्डी की तरह अत्यंत पतली परतों के ढेर हैं, जहाँ परतों को परमाणु सटीकता के साथ अलग किया जा सकता है और नए तरीके से स्टैक किया जा सकता है। ये सामग्रियाँ एल्युमीनियम की तुलना में अधिक स्वच्छ और पूर्ण आंतरिक संरचना प्रदान करती हैं, जो संभावित रूप से क्यूबिट को उन दोषों से बचा सकती हैं जो इसकी क्वांटम अवस्था को नष्ट कर देते हैं। जबकि वैज्ञानिकों ने पहले ही ग्राफीन (ग्रेफाइट की एक एकल परत) का उपयोग करके क्यूबिट बनाने में सफलता प्राप्त कर ली है, वे अभी तक इस परिवार के अन्य आशाजनक उम्मीदवारों से एक कार्यात्मक क्यूबिट बनाने में सफल नहीं हुए हैं। एक नए अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने सफलतापूर्वक नियोबियम डाइसेलेनाइड (niobium diselenide) का उपयोग करके एक क्यूबिट बनाया और उसका परीक्षण किया, जो न केवल एक सुपरकंडक्टर है बल्कि चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति भी उल्लेखनीय रूप से प्रतिरोधी है। यह उपलब्धि पहली बार है जब इस विशिष्ट सामग्री से एक क्यूबिट बनाया गया है, जो अधिक मजबूत क्वांटम उपकरणों के द्वार खोलता है जो उन वातावरणों में भी काम कर सकते हैं जहाँ एल्युमीनियम विफल हो जाता है।

शोधकर्ताओं ने अपने उपकरण का निर्माण नियोबियम डाइसेलेनाइड के दो छोटे फ्लेक्स (flakes) लेकर किया, जिनमें से प्रत्येक लगभग दस से पंद्रह नैनोमीटर मोटा था, और उन्हें सावधानीपूर्वक एक दूसरे के ऊपर रखकर एक जंक्शन बनाया जहाँ दोनों परतें मिलती हैं। उन्होंने इस नाजुक जंक्शन को एक खोखले एल्युमीनियम बॉक्स के अंदर रखा, जो एक रेज़ोनेटर (resonator) के रूप में कार्य करता है ताकि क्यूबिट की अवस्था को नियंत्रित और पढ़ा जा सके। यह सुनिश्चित करने के लिए कि जंक्शन सही ढंग से कार्य करे, उन्होंने इसे बड़े एल्युमीनियम पैड्स से जोड़ा और पूरे सेटअप को बाहरी गर्मी और विकिरण को रोकने के लिए फिल्टरों से घेर दिया। यह प्रयोग एक विशेष प्रयोगशाला में आयोजित किया गया था जहाँ तापमान को लगभग बीस मिलीकेल्विन (millikelvin) तक ठंडा किया गया था, जो परम शून्य से एक अंश का बहुत छोटा हिस्सा है, ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि सामग्री सुपरकंडक्टिंग बनी रहे। बॉक्स में माइक्रोवेव पल्स भेजकर, टीम जंक्शन के व्यवहार की जांच कर सकी और देख सकी कि क्या यह एक क्वांटम ऑसिलेटर की तरह व्यवहार करता है।

उन्हें एक ऐसा उपकरण मिला जो बिल्कुल वैसा ही व्यवहार करता था जैसा कि एक 'वीकली एन हार्मोनिक ऑसिलेटर' (weakly anharmonic oscillator) को करना चाहिए, जिसका अर्थ है कि यह शोर का विरोध करते हुए क्वांटम जानकारी को बनाए रख सकता है जो आमतौर पर इसे नष्ट कर देता है। जब शोधकर्ताओं ने उपकरण में भेजे गए संकेतों की शक्ति बढ़ाई, तो कैविटी का रेजोनेंस इस तरह से स्थानांतरित हुआ जिससे संकेत मिला कि सामग्री एक "सॉफ्टनिंग" (softening) ऑसिलेटर की तरह व्यवहार कर रही है, जो कि एक विशिष्ट प्रकार का गैर-रैखिक व्यवहार है। उल्लेखनीय रूप से, उपकरण तब भी स्थिर रहा जब शोधकर्ताओं ने इसमें थर्मल शोर (thermal noise) की एक महत्वपूर्ण मात्रा पेश की, जो कैविटी के भीतर पांच से दस अतिरिक्त फोटॉन ऊर्जा के बराबर थी। यह मजबूती इस प्रकार की अन्य सामग्रियों से बने क्यूबिट्स की तुलना में कहीं बेहतर है। इसके अलावा, टीम ने यह प्रदर्शित किया कि इनपुट सिग्नल की शक्ति को समायोजित करके, वे ऑसिलेटर के व्यवहार को "सॉफ्टनिंग" से "हार्डनिंग" (hardening) में बदल सकते हैं, जिससे प्रभावी रूप से इसकी गैर-रैखिकता (non-linearity) के चिह्न को बदला जा सके। डिवाइस के मौलिक गुणों को ट्यून करने की यह क्षमता क्वांटम प्रणाली पर उच्च स्तर के नियंत्रण का सुझाव देती है।

किसी भी क्यूबिट के लिए सबसे महत्वपूर्ण परीक्षण यह है कि वह अपनी सुसंगतता (coherence) खोने से पहले कितनी देर तक अपनी क्वांटम अवस्था को बनाए रख सकता है, जिसे रिलैक्सेशन टाइम (relaxation time) नामक मान द्वारा मापा जाता है। इस प्रयोग में, नियोबियम डाइसेलेनाइट क्यूबिट ने 6.5 माइक्रोसेकंड तक अपनी अवस्था बनाए रखी, जो कि ग्राफीन-आधारित क्यूबिट्स के साथ पहले से प्राप्त सर्वश्रेष्ठ परिणामों की तुलना में लगभग सौ गुना अधिक है। यह विस्तारित जीवनकाल संभवतः नियोबियम डाइसेलेनाइड की उच्च क्रिस्टलीय गुणवत्ता के कारण है, जो आंतरिक दोषों को कम करता है जो आमतौर पर क्वांटम अवस्थाओं को बाधित करते हैं, और साथ ही उच्च करंट को सहने की इसकी क्षमता के कारण है। टीम ने क्यूबिट की स्थिति में स्पष्ट, लयबद्ध दोलन (oscillations) भी देखे, जिन्हें राबी ऑसिलेशन (Rabi oscillations) कहा जाता है, जिसने पुष्टि की कि डिवाइस को सटीकता के साथ नियंत्रित किया जा सकता है। हालांकि वे नियंत्रण पल्स की लंबाई के कारण पूर्ण डिकोहेरेंस समय (decoherence time) को मापने में असमर्थ थे, फिर भी रिलैक्सेशन टाइम अकेले इस श्रेणी की सामग्रियों के लिए एक बड़ी छलांग का प्रतिनिधित्व करता है।

यह कार्य एक शक्तिशाली प्रदर्शन है कि वैन डेर वाल्स सामग्रियों को क्वांटम प्रौद्योगिकियों में सफलतापूर्वक एकीकृत किया जा सकता है, जो वर्तमान एल्युमीनियम-आधारित प्रणालियों की तुलना में अधिक टिकाऊ और बहुमुखी उपकरणों की ओर एक मार्ग प्रदान करता है। मजबूत चुंबकीय क्षेत्रों में कार्य करने की नियोबियम डाइसेलेनाइड की क्षमता विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह सुझाव देती है कि इन क्यूबिट्स का उपयोग भविष्य में डार्क मैटर का पता लगाने वाले प्रयोगों में किया जा सकता है, जो एक ऐसा कार्य है जिसके लिए शक्तिशाली मैग्नेट के भीतर क्वांटम सेंसर रखने की आवश्यकता होती है जहाँ पारंपरिक एल्युमीनियम क्यूबिट्स काम करना बंद कर देते हैं। हालांकि वर्तमान डिवाइस में थोड़ी मात्रा में नॉन-लीनियैरिटी (non-linearity) है, जो कुछ प्रकार की गणनाओं के लिए इसके उपयोग को सीमित करती है, शोधकर्ताओं का कहना है कि भविष्य के डिजाइनों में जंक्शन के आकार को समायोजित करके या अधिक सटीक विनिर्माण तकनीकों का उपयोग करके इस पैरामीटर को ठीक किया जा सकता है। यह सिद्ध करके कि इस सामग्री से एक क्यूबिट बनाया जा सकता है और यह उच्च सुसंगतता (coherence) के साथ प्रदर्शन कर सकता है, यह अध्ययन अगली पीढ़ी के क्वांटम सेंसर और कंप्यूटरों के लिए एक ठोस आधार प्रदान करता है, जो विलक्षण सामग्रियों और व्यावहारिक क्वांटम अनुप्रयोगों के बीच के अंतर को पाटता है।