Optomechanical crystal in light-resilient quantum ground state
यह शोधपत्र एक चिप-स्केल, रिलीज़-मुक्त सिलिकॉन ऑप्टोमैकेनिकल क्रिस्टल कैविटी प्रस्तुत करता है जो पल्स ऑपरेशन डायनेमिक्स में वर्तमान सीमाओं के बावजूद, सस्पेंडेड डिज़ाइनों की तुलना में काफी बेहतर थर्मल लचीलेपन और थर्मो-ऑप्टिक प्रभाव के 18 dB दमन के साथ क्रायोजेनिक क्वांटम ग्राउंड-स्टेट ऑपरेशन प्राप्त करता 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 लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
क्वांटम विज्ञान की शांत दुनिया में, शोधकर्ता लगातार विभिन्न प्रकार की ऊर्जाओं के बीच सेतु बनाने का प्रयास कर रहे हैं। कल्पना कीजिए कि आप एक रेडियो तरंग को, जो आपके घर में सूचना ले जाती है, एक प्रकाश की किरण से जोड़ने की कोशिश कर रहे हैं, जो इंटरनेट पर डेटा ले जाती है। ऊर्जा के ये दो रूप आमतौर पर एक-दूसरे से बात नहीं करते; वे अलग-अलग भाषाएं बोलने वाले अजनबियों की तरह हैं। उन्हें संवाद करने में सक्षम बनाने के लिए, वैज्ञानिक अत्यंत उच्च गति पर कंपन करने वाले सूक्ष्म यांत्रिक भागों का उपयोग करते हैं। ये भाग एक सार्वभौमिक अनुवादक (यूनिवर्सल ट्रांसलेटर) के रूप में कार्य करते हैं, जो माइक्रोवेव सिग्नल की लय को पकड़ते हैं और उसे कंपन में बदल देते हैं, जिसे फिर प्रकाश में परिवर्तित किया जा सकता है। हालाँकि, इस अनुवाद को पूरी तरह से काम करने के लिए, यांत्रिक भाग का पूरी तरह से स्थिर होना, यानी अपनी न्यूनतम ऊर्जा अवस्था में मौजूद होना आवश्यक है। यदि वह भाग थोड़ा भी गर्म हो जाता है, तो वह यादृच्छिक थर्मल शोर (थर्मल नॉइज़) के साथ थरथराने लगता है, जिससे वह नाजुक क्वांटम सूचना खराब हो जाती है जिसे वह ले जाने की कोशिश कर रहा है।
चुनौती हमेशा इन नन्हे मशीनों को ठंडा रखने की रही है। इनमें से अधिकांश उपकरण हवा में लटके हुए छोटे पुलों की तरह बनाए जाते हैं, जिन्हें ऊर्जा के नुकसान को रोकने के लिए चिप के बाकी हिस्सों से अलग रखा जाता है। जबकि यह अलगाव उन्हें स्पष्ट रूप से कंपन करने में मदद करता है, इसका मतलब यह भी है कि उनके पास उस गर्मी को निकालने का कोई तरीका नहीं है जो लेजर द्वारा टकराने पर उत्पन्न होती है। वह प्रकाश जो उन्हें नियंत्रित करने के लिए होना चाहिए था, अंततः उन्हें गर्म कर देता है, जिससे शोर का एक ऐसा चक्र बन जाता है जिसे तोड़ना कठिन होता है। वैज्ञानिकों ने लंबे समय से एक ऐसे डिज़ाइन की तलाश की है जो यांत्रिक कंपन को मजबूत रखे लेकिन गर्मी को आसानी से बाहर निकलने दे, एक ऐसा संतुलन जिसे प्राप्त करना आधुनिक तकनीक में उपयोग होने वाली सिलिकॉन चिप्स में कठिन साबित हुआ है।
स्वीडन के चाल्मर्स यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस समस्या को हल करने का एक नया तरीका प्रदर्शित किया है। अपने यांत्रिक उपकरण को हवा में लटकाने के बजाय, उन्होंने इसे चिप की ठोस सतह पर सीधे बनाया। यह "रिलीज़-फ्री" (मुक्ति-रहित) डिज़ाइन उनके यांत्रिक कंपन को भौतिकी के नियमों द्वारा, विशेष रूप से एक ऐसी घटना द्वारा, नियंत्रित रखता है जहाँ ध्वनि तरंगें सामग्री के भीतर ही टकराकर वापस लौट आती हैं और बाहर नहीं निकल पातीं। क्योंकि उपकरण चिप से चिपका हुआ है, इसलिए लेजर द्वारा उत्पन्न होने वाली कोई भी गर्मी बाहर निकलने के लिए एक सीधा रास्ता पाती है, जो एक हीट सिंक (ऊष्मा अवशोषक) के रूप में कार्य करती है। शोधकर्ताओं ने इस नए डिज़ाइन का परीक्षण परम शून्य (एब्सोल्यूट जीरो) के करीब के तापमान पर ठंडे किए गए रेफ्रिजरेटर के अंदर किया, जो अंटार्कटिका की सबसे गहरी ठंड से भी कहीं अधिक ठंडा है, ताकि यह देख सकें कि यह लेजर बीम से उत्पन्न गर्मी को कितनी अच्छी तरह संभाल सकता है।
परिणामों ने दिखाया कि उपकरण ने प्रकाश को संभालने में नाटकीय सुधार किया। जब शोधकर्ताओं ने निलंबित (सस्पेंडेड) संस्करण वाले उपकरण में लेजर चमकाया, तो गर्मी के कारण सामग्री फैल गई और उसके गुणों में बदलाव आया, जिससे अपेक्षाकृत कम पावर स्तरों पर ही प्रयोग बाधित हो गया। इसके विपरीत, नया रिलीज़-फ्री डिवाइस लगभग 35 डेसिबल अधिक शक्तिशाली लेजर बीम को झेल सका, इससे पहले कि उसमें वही थर्मल व्यवधान दिखाई देता। इसे समझने के लिए, नया डिज़ाइन उस प्रकाश तीव्रता को सह सकता है जो पुराने डिज़ाइन की तुलना में हजारों गुना अधिक है, और फिर भी यांत्रिक कंपन को क्वांटम ग्राउंड स्टेट में संचालित करने के लिए पर्याप्त शांत रख सकता है। इसका अर्थ है कि उपकरण अधिक जानकारी को प्रोसेस कर सकता है या अधिक चमकदार प्रकाश के साथ काम कर सकता है बिना अपनी क्वांटम सटीकता खोए।
टीम ने ध्वनि के व्यक्तिगत कणों, जिन्हें फोनोन (फोनोन) कहा जाता है, की गिनती करके उपकरण के व्यवहार को मापा, जो गर्मी के कारण उत्पन्न होते हैं। उन्होंने पाया कि नया डिज़ाइन, भले ही लेजर पहले की तुलना में बहुत अधिक ऊर्जा पंप कर रहा था, फिर भी उन अनचाहे कंपनों की संख्या को एक से नीचे बनाए रखता है, जो क्वांटम संचालन के लिए आवश्यक एक सीमा है। यह स्थिरता प्रकाश के निरंतर प्रवाह और तीव्र पल्स (स्पंदन), दोनों में देखी गई। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने एक जटिलता भी खोजी। जबकि उपकरण प्रकाश के एक पल्स के बाद जल्दी ठंडा हो गया, शीतलन प्रक्रिया एक सरल, अनुमानित वक्र (कर्व) का पालन नहीं करती थी। इसके बजाय, गर्मी इस तरह से टिकी रही जो सुचारू रूप से कम नहीं हुई, जिससे पता चलता है कि वहां एक छिपा हुआ थर्मल शोर का स्रोत है जिसे टीम ने अभी तक पूरी तरह से पहचाना नहीं है। यह ठहर जाने वाली गर्मी उपकरण को तीव्र, पल्स वाले प्रयोगों में पूरी तरह से कार्य करने से रोकती है, हालांकि यह निरंतर संचालन के लिए अभी भी अच्छा काम करता है।
इस शेष रहस्य के बावजूद, ये निष्कर्ष एक महत्वपूर्ण प्रगति का प्रतीक हैं। अध्ययन यह सिद्ध करता है कि इन नाजुक यांत्रिक संरचनाओं को सीधे चिप से जोड़ना उनके कंपन करने की क्षमता को नष्ट नहीं करता है; वास्तव में, यह उन्हें उनके द्वारा उत्पन्न गर्मी के प्रति बहुत अधिक मजबूत बनाता है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि यह नया आर्किटेक्चर बेहतर क्वांटम कंप्यूटर और संचार प्रणालियों के निर्माण के लिए एक कुंजी हो सकता है, जहाँ माइक्रोवेव और प्रकाश के बीच संकेतों को बदलना आवश्यक है। गर्मी की समस्या को हल करके, उन्होंने इन सिलिकॉन चिप्स का उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों के लिए उपयोग करने का मार्ग खोल दिया है जो पहले असंभव थे। यह कार्य वैज्ञानिकों को यह अध्ययन करने के लिए एक नया मंच भी प्रदान करता है कि गर्मी सूक्ष्म संरचनाओं के माध्यम से कैसे चलती है, जिससे भविष्य के क्वांटम उपकरणों के डिज़ाइन को बेहतर बनाने के लिए अंतर्दृष्टि मिल सकती है। शोधकर्ता अब चिप की सतह को परिष्कृत करने और विभिन्न सामग्रियों पर इस डिज़ाइन का परीक्षण करने की दिशा में काम कर रहे हैं ताकि वे ठहर जाने वाले शोर को समाप्त कर सकें और इन प्रकाश-लचीले क्वांटम मशीनों की पूर्ण क्षमता को अनलॉक कर सकें।
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