Ultrafast Processing of Hyper-Entangled Bell States at the Optical Bandwidth Limit

क्वांटम विज्ञान अक्सर असंभव संबंधों के एक क्षेत्र जैसा महसूस होता है, जहाँ विशाल दूरियों पर अलग-अलग कण एक ही तात्कालिक अस्तित्व को साझा करते हुए प्रतीत होते हैं। इस घटना के केंद्र में 'एंटैंगलमेंट' (entanglement) नामक एक विशिष्ट प्रकार का लिंक है, जहाँ दो कण एक-दूसरे के साथ इतनी गहराई से जुड़ जाते हैं कि एक को मापने से तुरंत दूसरे की स्थिति का पता चल जाता है। इस जुड़ाव के सबसे मौलिक रूपों में से एक "बेल स्टेट्स" (Bell states) हैं, जो कणों के उन जोड़ों का वर्णन करते हैं जो ध्रुवीकरण (polarization), या उनके कंपन की दिशा जैसे गुणों के एक पूर्ण, सिंक्रोनाइज़्ड नृत्य में बंधे होते हैं। ये अवस्थाएँ भविष्य की तकनीकों के लिए आधारभूत निर्माण खंड हैं, जो यह क्रांतिकारी बदलाव लाने का वादा करती हैं कि हम दुनिया को कैसे संचारित और महसूस करते हैं। हालाँकि, इनका उपयोग व्यावहारिक, उच्च-गति अनुप्रयोगों के लिए करने के मार्ग में लंबे समय से एक महत्वपूर्ण बाधा खड़ी रही है। पारंपरिक डिटेक्टर इलेक्ट्रॉनिक संकेतों पर निर्भर करते हैं जो प्रकाश की तीव्र गति के साथ तालमेल नहीं बिठा पाते, जिससे एक ऐसा बॉटलनेक (bottleneck) पैदा होता है जहाँ डेटा मशीन द्वारा पढ़े जाने की गति से कहीं अधिक तेज़ आता है।

इजराइल के बार-इलान विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस गति सीमा को तोड़ने का एक तरीका प्रदर्शित किया है, जो मापन के लिए पहले असंभव मानी जाने वाली दरों पर एंटैंगल्ड लाइट को प्रोसेस करता है। अपने कार्य में, उन्होंने सफलतापूर्वक एंटैंगल्ड फोटॉन जोड़ों की एक विशाल धारा को उत्पन्न, हेरफेर और डिटेक्ट किया, जो लगभग 100,000 गुना तेज़ गति से चलती है जितनी मानक विधियाँ अनुमति देती हैं। उनकी सफलता की कुंजी धीमे इलेक्ट्रॉनिक डिटेक्टरों को एक चतुर ऑप्टिकल ट्रिक से बदलना था जो माप को सीधे स्वयं प्रकाश के माध्यम से करता है, जिससे इलेक्ट्रॉनिक बॉटलनेक पूरी तरह से समाप्त हो जाता है। विशेष प्रकार के नॉनलीनियर क्रिस्टल और एक अद्वितीय प्रकार के इंटरफेरेंस (interference) वाले सेटअप का उपयोग करके, वे प्रति सेकंड अरबों फोटॉन्स की क्वांटम अवस्था को देखने में सक्षम रहे, जो केवल प्रकाश स्रोत की गति द्वारा सीमित था, न कि इलेक्ट्रॉनिक्स की गति द्वारा।

प्रयोग की शुरुआत इन एंटैंगल्ड जोड़ों के निर्माण के साथ हुई। शोधकर्ताओं ने लेजर लाइट की एक बीम का उपयोग किया, जिसे एक विशिष्ट ध्रुवीकरण के लिए सावधानीपूर्वक ट्यून किया गया था, और इसे एक-दूसरे के लंबवत व्यवस्थित क्रिस्टल की एक जोड़ी में निर्देशित किया। जैसे ही लेजर लाइट इन क्रिस्टलों से गुजरी, यह स्वतः ही नए फोटॉन के जोड़ों में विभाजित हो गई। क्रिस्टल के ओरिएंटेशन और लेजर की तैयारी के कारण, ये नए जोड़े एक ऐसी अवस्था में उभरे जहाँ उनका ध्रुवीकरण पूरी तरह से जुड़ा हुआ था, जिससे वे बेल स्टेट्स बने जिनकी टीम को आवश्यकता थी। सेटअप को इन जोड़ों की एक विशाल संख्या उत्पन्न करने के लिए डिज़ाइन किया गया था, जो लगभग 500 बिलियन फोटॉन प्रति सेकंड के फ्लक्स तक पहुँच गया। यह एक आश्चर्यजनक दर है, जो पिछले प्रयोगों द्वारा एक एकल मापन चक्र में संभाली जा सकने वाली क्षमता से कहीं अधिक है।

एक बार निर्मित होने के बाद, टीम को यह सिद्ध करने की आवश्यकता थी कि वे न केवल इन अवस्थाओं को उत्पन्न कर सकते हैं, बल्कि उन्हें इस अविश्वसनीय गति पर हेरफेर और पढ़ भी सकते हैं। उन्होंने प्रकाश के ध्रुवीकरण को घुमाने वाले एक सरल ऑप्टिकल टूल, 'हाफ-वेव प्लेट' (half-wave plate) का उपयोग किया, ताकि फोटॉन्स की अवस्था को बदला जा सके। इसने उन्हें फोटॉन्स के विभिन्न प्रकार के एंटैंगल्ड पैटर्न के बीच स्विच करने की अनुमति दी, जो प्रभावी रूप से प्रकाश द्वारा ले जाए जाने वाले "संदेश" को बदल देता है। हालाँकि, असली चुनौती डिटेक्शन (पहचान) की थी। प्रत्येक फोटॉन को एक धीमे इलेक्ट्रॉनिक सेंसर के साथ व्यक्तिगत रूप से पकड़ने के बजाय, शोधकर्ताओं ने प्रकाश को क्रिस्टल के दूसरे, समान जोड़े के माध्यम से वापस भेजा। यह दूसरा चरण पहले के दर्पण के रूप में कार्य करता था, लेकिन एक ट्विस्ट के साथ: प्रकाश के सटीक समय और फेज (phase) के आधार पर, दूसरे क्रिस्टल या तो सिग्नल को प्रवर्धित (amplify) करेंगे या उसे रद्द कर देंगे।

यह प्रक्रिया, जिसे SU(1,1) इंटरफेरेंस कहा जाता है, एक भौतिक कोसिडेन्स डिटेक्टर (coincidence detector) के रूप में कार्य करती है। यदि आने वाला प्रकाश उस विशिष्ट पैटर्न से मेल खाता है जिसे क्रिस्टल खोज रहे हैं, तो प्रकाश प्रवर्धित हो जाता है; यदि यह मेल नहीं खाता है, तो प्रकाश बुझ जाता है। यह प्रक्रिया बिना किसी इलेक्ट्रॉनिक प्रोसेसिंग की प्रतीक्षा किए, प्रकाश की गति से तुरंत होती है। शोधकर्ताओं ने परिणामी प्रकाश पैटर्न को कैप्चर करने के लिए एक कैमरे का उपयोग किया। इंटरफेरेंस फ्रिंज (interference fringes)—जो प्रकाश तरंगों के ओवरलैप होने पर दिखने वाली वैकल्पिक चमकीली और अंधेरी पट्टियाँ हैं—का विश्लेषण करके, वे यह निर्धारित कर सके कि किस प्रकार की एंटैंगल्ड अवस्था सिस्टम में प्रवेश कर रही थी। परिणाम स्पष्ट और सुस्पष्ट थे: जब इनपुट अवस्था डिटेक्टर की सेटिंग से मेल खाती थी, तो मजबूत, उच्च-कंट्रास्ट पैटर्न दिखाई देते थे। जब अवस्थाएँ बेमेल थीं, तो पैटर्न गायब हो गए या बहुत कम कंट्रास्ट के साथ दिखाई दिए।

टीम ने इन एंटैंगल्ड अवस्थाओं के सभी प्रमुख विविधताओं का परीक्षण किया, जिसमें वे भी शामिल थे जहाँ फोटॉन एक ही ध्रुवीकरण साझा करते थे और वे भी जहाँ उनके ध्रुवीकरण विपरीत थे। हर मामले में, ऑप्टिकल डिटेक्टर ने अवस्था की सही पहचान की, जिससे पुष्टि हुई कि संपूर्ण चक्र—उत्पादन, हेरफेर और मापन—प्रकाश स्रोत की अति-उच्च गति पर पूरा किया जा सकता है। प्रयोग ने दिखाया कि सिस्टम लगभग 5 × 10^11 फोटॉन प्रति सेकंड के फ्लक्स को संभाल सकता है, जो मानक इलेक्ट्रॉनिक डिटेक्टरों द्वारा प्रबंधित की जाने वाली दर से पांच गुना अधिक है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि इस गति को सीमित करने वाली एकमात्र चीज़ स्वयं प्रकाश स्रोत का बैंडविड्थ था, न कि मापन उपकरण।

यह उपलब्धि क्वांटम तकनीक के लिए एक नया मार्ग सुझाती है। इलेक्ट्रॉनिक गति सीमा को हटाकर, क्वांटम सूचना को उन दरों पर प्रोसेस करना संभव हो जाता है जो पहले पहुंच से बाहर थीं। शोधकर्ता बताते हैं कि इस पद्धति को और भी बढ़ाया जा सकता है, जो तेज़ कैमरों का उपयोग करके और प्रकाश को अधिक डिटेक्शन चैनलों में फैलाकर, संभावित रूप से गीगाहर्ट्ज़ या टेराहर्ट्ज़ रेंज तक पहुँच सकती है। हालांकि वर्तमान प्रयोग फोटॉन के एकल जोड़ों पर केंद्रित था, अंतर्निहित भौतिकी यह संकेत देती है कि इस दृष्टिकोण को अधिक जटिल क्वांटम सेंसिंग कार्यों के लिए भी लागू किया जा सकता है, जैसे कि अत्यधिक सटीकता के साथ सामग्रियों में सूक्ष्म परिवर्तनों को मापना। यह कार्य यह प्रदर्शित करता है कि प्रकाश को प्रकाश मापने देने से, हम अंततः क्वांटम दुनिया की अविश्वसनीय गति के साथ तालमेल बिठा सकते हैं।