Optimising physical parameters of a quantum network based on a loss-jitter trade-off

कल्पना कीजिए एक ऐसी दुनिया की जहाँ सूचना विद्युत स्पंदों या रेडियो तरंगों के रूप में नहीं, बल्कि प्रकाश के व्यक्तिगत कणों के रूप में यात्रा करती है, जो ऐसे रहस्य ढोते हैं जिन्हें बिना पकड़े गए या बिना पता चले कॉपी नहीं किया जा सकता। यह क्वांटम नेटवर्क का वादा है, एक ऐसी तकनीक जिसे वर्तमान में संचार को सुरक्षित करने और भविष्य के क्वांटम कंप्यूटरों को जोड़ने के लिए बनाया जा रहा है। हालाँकि, इन नाजुक कणों को उन ग्लास फाइबर के माध्यम से भेजना जो हमारे वैश्विक इंटरनेट का निर्माण करते हैं, सरल नहीं है। जैसे-जैसे प्रकाश यात्रा करता है, यह कमजोर होता जाता है, समय के साथ फैलता है, और उन डिटेक्टर्स की सूक्ष्म खामियों से भ्रमित हो जाता है जो इसे पकड़ते हैं। ब्रिस्टल विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं के सामने एक मौलिक प्रश्न था: आप शोर या देरी के कारण सूचना खोए बिना, फाइबर ऑप्टिक केबल के माध्यम से इन प्रकाश संकेतों के गुणों को कैसे ट्यून करते हैं? उन्होंने पाया कि हर स्थिति के लिए कोई एक एकल "सर्वश्रेष्ठ" सेटिंग नहीं है; इसके बजाय, आदर्श विकल्प पूरी तरह से इस बात पर निर्भर करता है कि सिग्नल को कितनी दूर जाना है और टाइमिंग उपकरण कितना सटीक है।

चुनौती को समझने के लिए, व्यक्ति को सबसे पहले सिग्नल की प्रकृति को समझना होगा। इन नेटवर्कों में, सूचना अक्सर उलझे हुए (entangled) फोटोन के जोड़ों द्वारा ले जाई जाती है, जो ऐसे कण हैं जो एक-दूसरे से इस तरह जुड़े होते हैं कि एक को मापने से तुरंत दूसरे की स्थिति का पता चल जाता है, चाहे दूरी कितनी भी हो। लक्ष्य इन जोड़ों को एक केंद्रीय स्रोत से दो अलग-अलग उपयोगकर्ताओं तक भेजना है। समस्या इसलिए उत्पन्न होती है क्योंकि मानक इंटरनेट ट्रैफ़िक के लिए उपयोग किए जाने वाले फाइबर ऑप्टिक केबल पूर्ण नहीं होते हैं। जैसे-जैसे फोटोन यात्रा करते हैं, वे दो मुख्य शत्रुओं का सामना करते हैं: हानि (loss) और विक्षेपण (dispersion)। हानि का अर्थ है कि फोटोन बस गायब हो जाते हैं, कांच द्वारा अवशोषित कर लिए जाते हैं। विक्षेपण का अर्थ है कि फोटोन समय में फैल जाते हैं, जैसे एक दौड़ में एक धावक जो दूसरों के साथ ही शुरू करता है लेकिन अलग-अलग रास्तों से गुजरने के कारण अलग-अलग समय पर पहुँचता है। सिग्नल को पकड़ने के लिए, डिटेक्टर्स को अविश्वसनीय रूप से सटीक होना चाहिए, जो यह देखने के लिए समय की एक बहुत छोटी खिड़की खोलते हैं कि क्या दो फोटोन एक साथ आए हैं। यदि फोटोन विक्षेपण के कारण बहुत अधिक फैल गए हैं, या यदि डिटेक्टर्स प्रतिक्रिया देने में बहुत धीमे हैं, तो सिग्नल बैकग्राउंड शोर में मिल जाता है, और सूचना खो जाती है।

मार्कस क्लार्क और सिद्धाथ जोशी के नेतृत्व वाली टीम ने इन कारकों के बीच के आदर्श संतुलन को मैप करने का लक्ष्य रखा। उन्होंने एक परिष्कृत कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया जो एक आभासी प्रयोगशाला के रूप में कार्य करता था, जिसने फाइबर के प्रकारों, सिग्नल के रंगों और सिग्नल की चौड़ाई के हजारों संयोजनों का परीक्षण किया। उन्होंने दो सामान्य प्रकार के फाइबर देखे: मानक सिंगल-मोड फाइबर, जो दूरसंचार उद्योग का कार्यवाहक है, और एक विशेष प्रकार का नॉन-जीरो डिस्पर्शन शिफ्टेड फाइबर, जिसे प्रकाश को अलग तरह से संभालने के लिए डिज़ाइन किया गया है। उन्होंने प्रकाश के दो अलग-अलग रंगों का भी परीक्षण किया: एक "O-बैंड" में, जो 1310 नैनोमीटर के पास यात्रा करता है, और दूसरा "C-बैंड" में, जो 1550 नैनोमीटर के पास है। O-बैंड इस बात के लिए प्रसिद्ध है कि इसमें लगभग शून्य विक्षेपण होता है, जिसका अर्थ है कि फोटोन समय में कसकर बंधे रहते हैं, जबकि C-बैंड कम हानि के लिए प्रसिद्ध है, जिसका अर्थ है कि फोटोन फीके पड़ने से पहले लंबी दूरी तय कर सकते हैं।

शोधकर्ताओं ने पाया कि सबसे अच्छा चुनाव उपकरणों की टाइमिंग सटीकता, जिसे जिटर (jitter) कहा जाता है, पर बहुत अधिक निर्भर करता है। यदि डिटेक्टर्स धीमे या अपरिष्कृत हैं, जिनमें 100 पिकोसेकंड से अधिक की अनिश्चितता है, तो प्राथमिकता पूरी तरह से सिग्नल को मजबूत रखने की ओर स्थानांतरित हो जाती है। इस परिदृश्य में, मानक फाइबर के माध्यम से C-बैंड का प्रकाश स्पष्ट विजेता है क्योंकि यह दूरी के साथ सिग्नल को सबसे कम खोता है। समय में प्रकाश का थोड़ा सा फैलाव उतना महत्वपूर्ण नहीं है जितना कि यह तथ्य कि वास्तव में अधिक फोटोन गंतव्य तक पहुँचते हैं। हालाँकि, जब डिटेक्टर्स अत्यंत तेज़ और सटीक होते हैं, जिनमें जिटर 20 पिकोसेकंड से कम होता है, तो नियम बदल जाते हैं। 20 किलोमीटर से कम की छोटी दूरियों के लिए, O-बैंड श्रेष्ठ हो जाता है। क्योंकि प्रकाश समय में नहीं फैलता है, शोधकर्ता एक बहुत ही विस्तृत बैंडविड्थ का उपयोग कर सकते थे, जिससे बिना धुंधला हुए सिग्नल में अधिक जानकारी भरी जा सकती है। यह विस्तृत बैंडविड्थ डेटा ट्रांसफर की बहुत उच्च दर की अनुमति देती है, बशर्ते दूरी इतनी कम हो कि सिग्नल फीका न पड़े।

अध्ययन ने एक महत्वपूर्ण ट्रेड-ऑफ को भी उजागर किया जब कई सिग्नलों को एक साथ ले जाने वाले नेटवर्क, जिसे वेवलेंथ मल्टीप्लेक्सिंग कहा जाता है, पर विचार किया जाता है। एक सिंगल-चैनल लिंक में, एक बहुत विस्तृत बैंडविड्थ एक छोटे, तेज़ कनेक्शन के लिए आदर्श हो सकती है। लेकिन यदि आप एक ही फाइबर में कई अलग-अलग चैनल फिट करना चाहते हैं, तो प्रत्येक के लिए एक विस्तृत बैंडविड्थ का उपयोग करने से दूसरों के लिए कोई जगह नहीं बचती है। सिमुलेशन ने दिखाया कि एक नेटवर्क के लिए जो एक साथ कई उपयोगकर्ताओं को ले जाने के लिए डिज़ाइन किया गया है, आदर्श रणनीति फिर से संकीर्ण बैंडविड्थ की ओर झुक जाती है। इस भीड़भाड़ वाले परिदृश्य में, C-बैंड प्रकाश के साथ मानक फाइबर लगभग सभी दूरियों के लिए सबसे मजबूत विकल्प साबित हुआ, सिवाय उन बहुत लंबे लिंक के जहाँ 400 किलोमीटर से अधिक की दूरी पर विशेष फाइबर प्रभावी हो जाता है। इन मल्टीप्लेक्स किए गए नेटवर्कों के लिए आदर्श बैंडविड्थ 5 से 10 गीगाहर्ट्ज़ के आसपास स्थिर हुई, जो एक मध्यम मार्ग है जो पर्याप्त सिग्नलों को पैक करने की अनुमति देता है जबकि त्रुटियों से बचने के लिए टाइमिंग को भी सख्त रखता है।

सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्षों में से एक यह था कि "सर्वश्रेष्ठ" सेटिंग एक निश्चित संख्या नहीं है बल्कि एक गतिशील लक्ष्य है जो दूरी के साथ बदलता है। 10 किलोमीटर के छोटे लिंक के लिए, यदि डिटेक्टर्स तेज़ हैं तो 100 गीगाहर्ट्ज़ की बहुत विस्तृत बैंडविड्थ आदर्श हो सकती है। लेकिन 100 किलोमीटर के लंबे लिंक के लिए, वही विस्तृत बैंडविड्थ सिग्नल को इतना फैला देगी कि वह बेकार हो जाएगी, और आदर्श विकल्प घटकर केवल 5 गीगाहर्ट्ज़ रह जाएगा। शोधकर्ताओं ने विस्तृत मानचित्र, या मोज़ेक बनाए, जो दिखाते हैं कि फाइबर का प्रकार, प्रकाश का रंग और बैंडविड्थ का कौन सा संयोजन किसी दी गई दूरी और टाइमिंग सटीकता के लिए सबसे अच्छा काम करता है। ये मानचित्र इंजीनियरों के लिए मार्गदर्शक के रूप में कार्य करते है जो अगली पीढ़ी के क्वांटम नेटवर्क बना रहे हैं, जिससे उन्हें उपलब्ध विशिष्ट केबलों और उपकरणों के अनुसार अपने सिस्टम को अनुकूलित करने की अनुमति मिलती है।

इस कार्य ने इस क्षेत्र में चल रही एक सामान्य बहस को भी संबोधित किया कि क्या क्वांटम सिग्नलों को मानक इंटरनेट ट्रैफ़िक के समान फाइबर साझा करना चाहिए। जबकि कुछ शोधकर्ताओं ने तर्क दिया है कि क्वांटियमित डेटा के लिए उपयोग किए जाने वाले चमकीले C-बैंड सिग्नलों से बचने के लिए क्वांटम सिग्नलों को O-बैंड में रखना चाहिए, यह पेपर सुझाव देता है कि ऐसा सह-अस्तित्व भविष्य नहीं होगा। जैसे-जैसे क्लासिकल संचार तकनीक प्रकाश के पूरे स्पेक्ट्रम का उपयोग करने के लिए उन्नत होती है, क्वांटम और क्लासिकल सिग्नलों के बीच का बड़ा अंतर समाप्त हो जाएगा। इस भविष्य में, जहाँ एक ही फाइबर सभी प्रकार के डेटा ले जाता है, अध्ययन संकेत देता है कि क्वांटम सिग्नलों के लिए एक समर्पित फाइबर का उपयोग करना अधिक व्यावहारिक पथ है। यह इंजीनियरों को पड़ोसी चैनलों से शोर की चिंता किए बिना क्वांटम जरूरतों के लिए विशेष रूप से फाइबर को अनुकूलित करने की अनुमति देता है, जिससे उच्चतम सुरक्षा और गति सुनिश्चित होती है।

अंततः, यह शोध क्वांटम नेटवर्क के भौतिक डिजाइन के लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है। यह एक सार्वभौमिक समाधान के विचार से आगे बढ़कर हानि, विक्षेपण और टाइमिंग के बीच एक सूक्ष्म समझ प्रदान करता है। इन अंतःक्रियाओं का अनुकरण करके, टीम ने दिखाया कि प्रकाश के रंग और सिग्नल की चौड़ाई दोनों को अनुकूलित करने से सुरक्षित सूचना साझा करने की मात्रा में नाटकीय रूप से सुधार किया जा सकता है। उन इंजीनियरों के लिए जो इन नेटवर्कों के निर्माण का कार्य कर रहे हैं, संदेश स्पष्ट है: कोई एक जादुई सेटिंग नहीं है। इसके बजाय, सफलता सिग्नल के गुणों को केबल की विशिष्ट लंबाई और डिटेक्टर्स की गति के साथ सावधानीपूर्वक मिलाने में निहित है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि नाजुक क्वांटम सूचना सुरक्षित रूप से पहुँचे, संचार के एक नए युग की क्षमता को अनलॉक करने के लिए तैयार हो।