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Multiplexed ion-ion entanglement over $1.2$ kilometer fibers

यह शोध पत्र 10 टेम्पोरल फोटोनिक मोड्स के उपयोग के माध्यम से, 1.2 किमी फाइबर पर दो ट्रैप्ड-आयन क्वांटम नोड्स के बीच मल्टीप्लेक्सिंग-एन्हांस्ड हेराल्डेड एंटैंगलमेंट का पहला प्रदर्शन प्रस्तुत करता है, जो जनरेशन रेट में 4.59-गुना की तेजी और 95.9% फिडेलिटी प्राप्त करता है।

मूल लेखक: Z. B. Cui, Z. Q. Wang, P. Y. Liu, Y. Wang, P. C. Lai, J. X. Shi, Y. D. Sun, Z. C. Tian, H. S. Sun, Y. B. Liang, B. X. Qi, Y. Y. Huang, Z. C. Zhou, Y. K. Wu, Y. Xu, Y. F. Pu, L. M. Duan

प्रकाशित 2026-09-09

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Z. B. Cui, Z. Q. Wang, P. Y. Liu, Y. Wang, P. C. Lai, J. X. Shi, Y. D. Sun, Z. C. Tian, H. S. Sun, Y. B. Liang, B. X. Qi, Y. Y. Huang, Z. C. Zhou, Y. K. Wu, Y. Xu, Y. F. Pu, L. M. Duan

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 इंटरनेट का सपना एक एकल, नाजुक संबंध पर निर्भर करता है: दो दूरस्थ मशीनों को इस तरह जोड़ने की क्षमता जिससे वे एक गुप्त अवस्था साझा कर सकें, जिसे एंटैंगलमेंट (entanglement) के रूप में जाना जाता है। कल्पना कीजिए कि दो सिक्के हैं जो, चाहे वे कितनी भी दूर क्यों न हों, उछालने पर हमेशा विपरीत पक्षों पर आते हैं; क्वांटम दुनिया में, कण इस तरह से जुड़े हो सकते हैं, जो अनहैकेबल संचार और शक्तिशाली वितरित कंप्यूटरों जैसी भविष्य की तकनीकों के लिए आधार तैयार करते हैं। हालाँकि, इस नेटवर्क का निर्माण करना अविश्वसनीय रूप से कठिन है क्योंकि कनेक्शन ले जाने वाला सिग्नल फाइबर ऑप्टिक केबलों के माध्यम से यात्रा करते समय कमजोर हो जाता है और खो जाता है, विशेष रूप से लंबी दूरियों पर। इन लिंक्स को काम करने के लायक बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को सिग्नल के फीके पड़ने से पहले कनेक्शन को तेजी से और विश्वसनीय रूप से बनाना होगा, एक ऐसी चुनौती जिसने लंबे समय से क्वांटम प्रयोगों के पैमाने को छोटे, स्थानीय सेटअप तक सीमित कर दिया है।

त्सिंहुआ विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब 'मल्टीप्लेक्सिंग' नामक तकनीक का उपयोग करके इस प्रक्रिया को तेज करने का प्रदर्शन करके एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। उन्होंने 1.2 किलोमीटर के ऑप्टिकल फाइबर से अलग किए गए दो ट्रैप्ड-आयन (trapped-ion) क्वांटम नोड्स के बीच एक एंटैंगल्ड लिंक सफलतापूर्वक बनाया। अपने प्रयोग में, वैज्ञानिकों ने कैल्शियम आयनों का उपयोग किया, जो इलेक्ट्रोमैग्नेटिक फील्ड द्वारा स्थिर रखे गए एकल परमाणु हैं, जिन्हें क्वांटम नोड्स के रूप में इस्तेमाल किया गया। प्रत्येक नोड में एक आयन था, और शोधकर्ताओं ने प्रकाश की धीमी गति और सफल कनेक्शन की कम संभावना से निपटने के लिए एक चतुर रणनीति अपनाई। एक बार में लिंक बनाने और यह देखने के बजाय कि क्या यह काम करता है, उन्होंने एक ही दौर में दस त्वरित, क्रमिक प्रयास भेजे। इस दृष्टिकोण ने उन्हें प्रभावी रूप से वहां दस मौके दिए जहां पहले उनके पास केवल एक मौका था, जिससे एंटैंगलमेंट स्थापित करने की दर में काफी तेजी आई।

इस सेटअप में दो अलग-अलग स्थान शामिल थे, जिन्हें एलिस (Alice) और बॉब (Bob) नाम दिया गया था, जो लैब में 2 मीटर की दूरी पर स्थित थे लेकिन एक केंद्रीय माप स्टेशन से प्रत्येक तरफ 600 मीटर के फाइबर से जुड़े थे, जिससे कुल पथ 1.2 किलोमीटर बन गया। प्रक्रिया की शुरुआत आयनों को लेजर पल्स से उत्तेजित करने से हुई, जिससे वे फोटॉन, या प्रकाश के कण उत्सर्जित करने लगे। ये फोटॉन फाइबर के माध्यम से केंद्र तक पहुंचे, जहाँ उन्हें मापा गया। यदि केंद्र में डिटेक्टरों ने प्रकाश का एक विशिष्ट पैटर्न देखा, तो इसने संकेत दिया कि दो दूरस्थ आयन एंटैंगल्ड हो गए हैं। चूंकि प्रकाश की गति सूचना के आने-जाने की गति को सीमित करती है, इसलिए शोधकर्ताओं को यह जानने के लिए पुष्टि सिग्नल के वापस आने का इंतजार करना पड़ा कि प्रयास सफल हुआ या नहीं। दस टाइम-बेस्ड मोड, या इन प्रयासों के लिए दस अलग-अलग समय स्लॉट का उपयोग करके, वे एक समय में एक एकल प्रयास के उपयोग की तुलना में कनेक्शन उत्पन्न करने की गति को 4.59 के कारक से बढ़ाने में सफल रहे।

परिणाम केवल तेज़ ही नहीं थे; वे उल्लेखनीय रूप से सटीक भी थे। टीम ने एंटैंगलमेंट की गुणवत्ता को मापा और पाया कि इसकी फिडेलिटी (fidelity) 95.9 प्रतिशत थी, जिसका अर्थ है कि कनेक्शन सैद्धांतिक रूप से आदर्श अवस्था के अत्यंत करीब था। यह स्तर की सटीकता इसलिए उल्लेखनीय है क्योंकि इसे इस प्रकार की प्रणाली के पिछले रिकॉर्डों की तुलना में बहुत लंबी दूरी पर हासिल किया गया था, जो पहले केवल कुछ सौ मीटर तक सीमित थे। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि आयन सैकड़ों मिलीसेकंड तक इस क्वांटम अवस्था को बनाए रख सकते हैं, जो कि आगे के संचालन के लिए पर्याप्त अवधि है। यह स्थायित्व नेटवर्क को स्केल करने के लिए महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह सिस्टम को जानकारी संसाधित करने और त्रुटियों को सुधारने के लिए समय देता है।

यह कार्य पहली बार है जब लंबी फाइबर लिंक पर ट्रैप्ड आयनों के बीच एंटैंगलमेंट को बढ़ाने के लिए इस तरह की मल्टीप्लेक्सिंग का उपयोग किया गया है। जबकि अन्य प्रकार की सामग्रियों के साथ पिछले प्रयोगों ने समान गति-वृद्धि दिखाई थी, यह अध्ययन सिद्ध करता है कि यह विधि आयनों के लिए काम करती है, जो अपनी उच्च स्थिरता और सटीकता के लिए जाने जाते हैं। शोधकर्ताओं ने अपने नोड्स के लिए एक 'डुअल-टाइप' डिजाइन का उपयोग किया, जिसमें संचार के लिए उपयोग किए जाने वाले आयन के हिस्से को मेमोरी के लिए उपयोग किए जाने वाले हिस्से से अलग किया गया, यह एक ऐसी विशेषता है जो उन्हें भविष्य में सिस्टम को बाधित किए बिना अधिक आयन और क्यूबिट्स जोड़ने की अनुमति देगी। इस आर्किटेक्चर को मल्टीप्लेक्सिंग तकनीक के साथ जोड़कर, टीम ने एक बड़े क्वांटम नेटवर्क के लिए एक मजबूत बिल्डिंग ब्लॉक तैयार किया है। निष्कर्ष बताते हैं कि तकनीकी शोर, जैसे लेजर अस्थिरता या फेज एरर को कम करने के लिए और अधिक सुधार के साथ, फिडेलिटी संभावित रूप से 99 प्रतिशत से अधिक हो सकती है, जो एक बड़े पैमाने के, कार्यात्मक क्वांटम इंटरनेट के दृष्टिकोण को वास्तविकता के एक कदम और करीब ले आती है।

तकनीकी सारांश: 1.2 किलोमीटर फाइबर पर मल्टीप्लेक्सड आयन-आयन एंटैंगलमेंट

समस्या विवरण
बड़े पैमाने के क्वांट一種 नेटवर्क और रिपीटर्स का निर्माण दूरस्थ क्वांटम नोड्स के बीच कुशल और उच्च-फिडेलिटी (fidelity) वाले हेराल्डेड एंटैंगलमेंट (heralded entanglement) की स्थापना पर निर्भर करता है। इस प्रक्रिया में एक प्राथमिक बाधा लंबी दूरी पर मैटर-मैटर एंटैंगलमेंट उत्पन्न करने की सीमित दक्षता है, विशेष रूप से इसलिए क्योंकि प्रयास दर (attempt rate) ऑप्टिकल फाइबर में राउंड-ट्रिप संचार समय ( $L/c$ ) द्वारा मौलिक रूप से बाधित होती है। जबकि एंटैंगलमेंट वितरण को तेज करने के लिए समानांतर एंटैंगलिंग प्रयासों को बढ़ाने हेतु मल्टीप्लेक्सिंग रणनीतियों का प्रस्ताव दिया गया है, मल्टीप्लेक्सिंग-वर्धित मैटर-मैटर एंटैंगलमेंट के पिछले प्रायोगिक प्रदर्शन ठोस-अवस्था (solid-state) प्रणालियों तक ही सीमित थे। इसके अलावा, प्रयोगशाला स्तर (520 मीटर से अधिक) से परे फाइबर दूरियों पर मैटर-मैटर एंटैंगलमेंट फिडेलिटी के मौजूदा रिकॉर्ड सभी भौतिक प्लेटफार्मों पर लगभग 90% तक सीमित रहे हैं। ट्रैप्ड-आयन सिस्टम, जो उच्च-फिडेलिटी गेट्स और लंबी कोहेरेंस अवधि के लिए रिकॉर्ड रखते हैं, अभी तक विस्तारित फाइबर दूरियों पर मल्टीप्लेक्सड एंटैंगलमेंट का प्रदर्शन नहीं कर पाए थे।

कार्यप्रणाली (Methodology)
लेखकों ने दो दूरस्थ नोड्स वाला एक क्वांटम नेटवर्क बनाया, जिसमें प्रत्येक नोड में एक एकल ट्रैप्ड $^{40}\text{Ca}^+$ आयन है। नोड्स भौतिक रूप से 2 मीटर की दूरी पर थे लेकिन एक केंद्रीय माप स्टेशन से जुड़ने के लिए कुल 1.2 किमी (प्रत्येक नोड के लिए 600 मीटर) के ऑप्टिकल फाइबर से जुड़े हुए थे।

दोहरे-प्रकार का एनकोडिंग (Dual-Type Encoding): सिस्टम एक दोहरे-प्रकार के एनकोडिंग योजना का उपयोग करता है जो "कम्युनिकेशन क्वबिट" सबस्पेस (जिसमें $|S_{1/2}\rangle$ , $|D_{3/2}\}$ , और $|P_{1/2}\rangle$ अवस्थाएं शामिल हैं) को "मेमोरी क्वबिट" सबस्पेस (जिसमें $|D_{5/2}\rangle$ शामिल है) से अलग करता है। यह स्पेक्ट्रल आइसोलेशन यह सुनिश्चित करता है कि विसरणात्मक (dissipative) संचालन (कूलिंग, पंपिंग, एंटैंगलमेंट एक्सिटेशन और डिटेक्शन) मेमोरी सबस्पेस में संग्रहीत क्वांटम सूचना को बाधित किए बिना कम्युनिकेशन सबस्पेस में हो सकें।
आयन-फोटॉन एंटैंगलमेंट जनरेशन: प्रक्रिया आयन को इनिशियलाइज़ करने के लिए ऑप्टिकल पंपिंग के साथ शुरू होती है। एक पिकोसेकंड 397 nm लेजर पल्स आयन को $|P_{1/2}\rangle$ अवस्था में उत्तेजित करती है। आयन निम्न ब्रांचिंग रेशियो (6%) के साथ $|D_{3/2}\rangle$ स्तर पर स्वतः क्षय (spontaneously decay) होता है, जिससे 866 nm का फोटॉन उत्सर्जित होता है। फोटॉन का ध्रुवीकरण (polarization) आयन की अवस्था के साथ एंटैंगल्ड होता है। बाद के रमन पल्स इस एंटैंगलमेंट को मेमोरी क्वबिट सबस्पेस ( $|D_{5/2}\rangle$ ) में स्थानांतरित करते हैं।
मल्टीप्लेक्सिंग योजना: कम ब्रांचिंग रेशियो और लंबे फाइबर द्वारा थोपी गई लेटेंसी (latency) से निपटने के लिए, लेखकों ने टेम्पोरल मल्टीप्लेक्सिंग (temporal multiplexing) का उपयोग किया। प्रति चक्र एकल उत्तेजना प्रयास के बजाय, उन्होंने 30 राउंड का एक ब्लॉक निष्पादित किया, जहाँ प्रत्येक राउंड में 10 क्रमिक "एक्सिटेशन-पंपिंग" चक्र शामिल थे। इसने 10 टेम्पोरल फोटोनिक मोड का उपयोग किया। महत्वपूर्ण रूप से, मध्यवर्ती ऑप्टिकल पंपिंग केवल 397 nm लेजर का उपयोग करके की गई ताकि यदि पिछला एक्सिटेशन सफल रहा हो, तो $|D_{3/2}\rangle$ स्तर में जनसंख्या को संरक्षित किया जा सके, जिससे प्रभावी ब्रांचिंग रेशियो बढ़ाने के लिए जनसंख्या का पुन: उपयोग किया जा सके।
हेराल्डिंग और फीडफॉरवर्ड: दोनों नोड्स से फोटॉन को एक केंद्रीय स्टेशन पर दो-फोटॉन बेल-स्टेट मेजरमेंट (BSM) के लिए भेजा गया। एक माइक्रोप्रोसेसर ("QNetWorker") ने डिटेक्टर क्लिक्स का विश्लेषण किया ताकि बेल स्टेट $|\Psi^+\rangle$ के अनुरूप संयोग पैटर्न (coincidence pattern) की पहचान की जा सके। पहचान होने पर, एक हेराल्डिंग सिग्नल को वास्तविक राउंड-ट्रिप लेटेंसी का अनुकरण करने के लिए उसी फाइबर लंबाई के माध्यम से स्थानीय नोड्स पर वापस भेजा गया। स्थानीय नियंत्रकों ने हेराल्डिंग सिग्नल के आधार पर आयन-आयन एंटैंगलमेंट को अंतिम रूप देने के लिए रमन पल्स लागू किए।

मुख्य योगदान और परिणाम

प्रथम मल्टीप्लेक्सड ट्रैप्ड-आयन एंटैंगलमेंट: यह कार्य दो ट्रैप्ड-आयन क्वांटम नेटवर्क नोड्स के बीच पहले मल्टीप्लेक्सिंग-वर्धित हेराल्डेड एंटैगलमेंट के प्रायोगिक कार्यान्वयन को प्रस्तुत करता है।
दूरी का रिकॉर्ड: प्रयोग ने 1.2 किमी के फाइबर पर सफलतापूर्वक एंटैंगलमेंट स्थापित किया, जिसने पिछले 520 मीटर के ट्रैप्ड-आयन रिकॉर्ड को पार कर दिया।
दक्षता वृद्धि: 10 टेम्पोरल फोटोनिक मोड को मल्टीप्लेक्स करके, सिस्टम ने सिंगल-मोड केस की तुलना में आयन-आयन एंटैंगलमेंट जनरेशन में 4.59-गुना गति (speedup) प्राप्त की। यह वृद्धि कारक $|S_{1/2}\rangle$ और $|D_{3/2}\rangle$ स्तरों की जनसंख्या गतिशीलता के कारण 10 मोड पर लगभग संतृप्त (saturate) होने के करीब देखा गया।
उच्च फिडेलिटी: प्रयोग ने 1.2 किमी की दूरी पर 95.9 ± 1.5% की आयन-आयन एंटैंगलमेंट फिडेलिटी प्राप्त की। यह विस्तारित फाइबर लंबाई पर सभी भौतिक प्लेटफार्मों में हेराल्डेड मैटर-मैटर एंटैंगलमेंट फिडेलिटी का एक नया रिकॉर्ड स्थापित करता है और प्रयोगशाला-स्तर के सेटअपों के प्रतिस्पर्धी है।
सिस्टम स्केलेबिलिटी: लेखकों ने एक दोहरे-प्रकार के आर्किटेक्चर का प्रदर्शन किया जो, हालांकि इस प्रयोग में प्रति नोड एक एकल आयन का उपयोग करता है, स्वाभाविक रूप से प्रति नोड कई क्वबिट्स और मल्टी-नोड नेटवर्क तक स्केलिंग का समर्थन करने के लिए डिज़ाइन किया गया है।

महत्व
यह शोध पत्र यह प्रदर्शित करके भविष्य के बड़े पैमाने के क्वांटम नेटवर्क के लिए एक महत्वपूर्ण बिल्डिंग ब्लॉक स्थापित करता है कि मल्टीप्लेक्सिंग प्रभावी रूप से ट्रैप्ड-आयन सिस्टम में लंबी दूरी के एंटैंगलमेंट वितरण की दक्षता सीमाओं को दूर कर सकती है। उच्च फिडेलिटी (95.9%) और 1.2 किमी के लिंक पर महत्वपूर्ण गति (4.59x) का संयोजन ट्रैप्ड आयनों के लिए व्यावहारिक क्वांटम रिपीटर्स की व्यवहार्यता की पुष्टि करता है। लेखक उल्लेख करते हैं कि वर्तमान इन्फिडेलिटी (infidelity) मुख्य रूप से तकनीकी खामियों (रमन डिट्यूनिंग, फेज एरर, लेजर अस्थिरता, आदि) के कारण है, न कि मौलिक सीमाओं के कारण, जो यह सुझाव देता है कि और अधिक अनुकूलन फिडेलिटी को 99% से ऊपर ले जा सकता है। प्रदर्शित आर्किटेक्चर अतिरिक्त मल्टीप्लेक्सिंग योजनाओं (जैसे आयन शटलिंग और फाइबर एरे) को एकीकृत करने और क्वांटम फ्रीक्वेंसी कन्वर्जन के माध्यम से दर्जनों किलोमीटर तक स्केल करने का मार्ग प्रशस्त करता है, जो अंततः एंटैंगलमेंट प्यूरिफिकेशन और पूर्ण रूप से कार्यात्मक क्वांटम रिपीटर नोड्स जैसे उन्नत कार्यों का समर्थन करता है।

तकनीकी सारांश: 1.2 किलोमीटर फाइबर पर मल्टीप्लेक्सड आयन-आयन एंटैंगलमेंट

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