Exponentially enhanced sensing through non-reciprocal light propagation

प्रकाश-आधारित तकनीक की दुनिया में, एक मौलिक नियम है जिसने लंबे समय से इंजीनियरों को नियंत्रित रखा है। 'पारस्परिकता' (reciprocity) के रूप में ज्ञात, यह सिद्धांत यह निर्धारित करता है कि यदि प्रकाश बिंदु A से बिंदु B तक जा सकता है, तो यह B से A तक भी उसी आसानी से वापस आ जाना चाहिए, बशर्ते सिस्टम सक्रिय रूप से बदल न रहा हो। यह समरूपता एक दो-तरफा सड़क की तरह है जहाँ यातायात दोनों दिशाओं में समान रूप से बहता है। जबकि यह नियम कई ऑप्टिकल उपकरणों में स्थिरता सुनिश्चित करता है, यह इन उपकरणों की संवेदनशीलता पर एक कठिन सीमा भी लगा देता है जब वे बाहरी दुनिया की सबसे हल्की फुसफुसाहट का पता लगाने की कोशिश करते हैं। एक सूक्ष्म व्यवधान, जैसे कि एक कमजोर संकेत या तापमान में सूक्ष्म परिवर्तन, को महसूस करने के लिए, एक सेंसर को उस संकेत को प्रवर्धित (amplify) करना चाहिए। हालाँकि, एक पारस्परिक प्रणाली में, जो शोर अनिवार्य रूप से वातावरण से आता है, वह संकेत के साथ ही प्रवर्धित हो जाता है, जिससे अक्सर वह जानकारी दब जाती है जिसे शोधकर्ता खोजने की कोशिश कर रहे होते हैं। वर्षों से, वैज्ञानिक इस समरूपता को तोड़ने का एक तरीका खोज रहे हैं, ताकि प्रकाश के लिए एक-तरफा सड़कें बनाई जा सकें जहाँ संकेत को शोर को अपने साथ खींचे बिना बढ़ाया जा सके।

मॉन्ट्रियल विश्वविद्यालय और शेरब्रुक विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब ठीक यही करने के लिए एक विधि प्रदर्शित की है, जिसमें प्रकाश का एक चतुर संयोजन उपयोग किया गया है जो बड़ा होने पर तेजी से अधिक संवेदनशील होता जाता है। उनका कार्य एक विशिष्ट सैद्धांतिक मॉडल पर केंद्रित है जिसे पहले वास्तविक दुनिया में बनाना कठिन था। विचार यह है कि एक ऐसा सिस्टम बनाया जाए जहाँ संकेत और शोर एक यात्रा पर दो अलग-अलग यात्रियों की तरह व्यवहार करें। जैसे-जैसे सिस्टम का पैमाना बढ़ता है, संकेत को तेजी से बढ़ने के लिए डिज़ाइन किया जाता है, जबकि शोर बहुत धीमी गति से बढ़ता है। विकास की इन दरों में अंतर यह सुनिश्चित करता है कि संकेत अंततः शोर पर हावी हो जाए, जिससे उन व्यवधानों का पता लगाना संभव हो जाता है जो पहले अदृश्य थे। शोधकर्ताओं ने ऑप्टिकल फाइबर के एक लूप और मॉड्यूलेशन की एक श्रृंखला का उपयोग करके इस सिस्टम को सफलतापूर्वक बनाया, जो प्रकाश को इस तरह व्यवहार करने के लिए मजबूर करता है जैसे कि वह एक एक-तरफा जाली (one-way lattice) के माध्यम से चल रहा हो, जिससे प्रभावी रूप से एक गैर-पारस्परिक (non-reciprocal) वातावरण बनता है जहाँ समरूपता के नियमों को पहचान (detection) के पक्ष में मोड़ा जाता है।

उनके प्रयोग का मुख्य हिस्सा ऑप्टिकल फाइबर का एक बड़ा लूप है, जो प्रकाश तरंगों के लिए एक पात्र (container) के रूप में कार्य करता है। इस लूप के भीतर, शोधकर्ताओं ने प्रकाश के संचार (circulate) के दौरान इसके चरण (phase) और तीव्रता (intensity) को एक साथ बदलने के लिए इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का उपयोग किया। इन परिवर्तनों को सावधानीपूर्वक समयबद्ध करके, उन्होंने एक ऐसी स्थिति बनाई जहाँ आवृत्ति स्पेक्ट्रम (frequency spectrum) के माध्यम से एक दिशा में चलने वाला प्रकाश प्रवर्धित होता है, जबकि विपरीत दिशा में चलने वाले प्रकाश को दबा दिया जाता है। यह एक गैर-पारसीय प्रवाह बनाता है, जो एक ऐसी नदी के समान है जो नीचे की ओर (downstream) तो मजबूती से बहती है लेकिन ऊपर की ओर (upstream) बहने के किसी भी प्रयास का विरोध करती है। शोधकर्ताओं ने प्रकाश को इस तरह व्यवस्थित किया कि इसने आवृत्ति मोड की एक श्रृंखला बनाई, जिसमें प्रत्येक मोड एक लंबी सीढ़ी के पायदान की तरह कार्य करता है। उन्होंने इन दो श्रृंखलाओं को अगल-बगल बनाया, और उन्हें एक विशिष्ट तरीके से जोड़ा जो 'बोसोनिक किटाव चेन' (bosonic Kitaev chain) नामक एक सैद्धांतिक संरचना की नकल करता है। इस सेटअप में, एक श्रृंखला संकेत ले जाती है, और दूसरी का उपयोग उसे पढ़ने के लिए किया जाता है, जिसमें उनके बीच एक छोटा, नियंत्रित संबंध उस व्यवधान का प्रतिनिधित्व करता है जिसे वे पहचानना चाहते हैं।

इस प्रणाली की सीमाओं का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने फाइबर लूप की लंबाई बदलकर श्रृंखला के आकार को बदला, जिससे उपलब्ध आवृत्ति मोड की संख्या बदल गई। उन्होंने दस मोड की एक छोटी श्रृंखला से शुरुआत की और इसे सत्तर से अधिक मोड वाली एक विशाल श्रृंखला तक बढ़ाया। प्रत्येक मामले में, उन्होंने एक बहुत ही कमजोर विक्षोभ (perturbation)—दोनों श्रृंखलाओं के बीच एक सूक्ष्म जुड़ाव—प्रस्तुत किया और मापा कि सिस्टम के माध्यम से यात्रा करते समय संकेत कितना बढ़ा। परिणाम आश्चर्यजनक थे। जैसे-जैसे श्रृंखला लंबी होती गई, संकेत केवल थोड़ा मजबूत नहीं हुआ; बल्कि यह तेजी से (exponentially) बढ़ा। जब सिस्टम को उसके सबसे बड़े आकार तक बढ़ाया गया, तो सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात (signal-to-noise ratio) में तीन आदेशों (three orders of magnitude) का सुधार हुआ। इसका अर्थ है कि केवल सिस्टम को बड़ा करके, उन्होंने उस स्तर की संवेदनशीलता प्राप्त की जो एक छोटे सेटअप या पारंपरिक पारस्परिक उपकरण के साथ असंभव होती।

महत्वपूर्ण रूप से, शोधकर्ताओं ने इस विस्तारित प्रणाली में बैकग्राउंड शोर के व्यवहार को भी मापा। पिछले कई प्रयासों में, जहाँ सेंसर को बेहतर बनाने की कोशिश की गई थी, शोर भी संकेत के समान ही तेजी से बढ़ता था, जिससे कोई भी लाभ समाप्त हो जाता था। हालाँकि, यहाँ, शोर संकेत की तुलना में बहुत धीमी गति से बढ़ा। टीम ने पाया कि जबकि संकेत सिस्टम के विकास के वर्ग (square) से संबंधित कारक द्वारा प्रवर्धित हुआ, शोर केवल रैखिक (linearly) रूप से प्रवर्धित हुआ। व्यवहार का यह विशिष्ट अंतर ही है जो सेंसर को घातीय रूप से (exponentially) अधिक सटीक बनाता है। शोधकर्ताओं ने अपने प्रायोगिक डेटा की सैद्धांतिक सिमुलेशन के साथ तुलना करके इन निष्कर्षों की पुष्टि की, जो उनके पूर्वानुमान और उनके अवलोकन के बीच एक पूर्ण मिलान दिखाते हैं। उन्होंने प्रदर्शित किया कि यह घातीय लाभ तब भी बना रहता है जब मापा जाने वाला व्यवधान अत्यंत सूक्ष्म हो, और सिस्टम विभिन्न आकारों में स्थिर और अनुमानित रहता है।

इस कार्य का महत्व इसकी स्केलेबिलिटी (scalability) और इसके व्यावहारिक कार्यान्वयन में निहित है। समान सेंसर बनाने के पिछले प्रयास बहुत छोटे सिस्टम तक सीमित थे जिनमें केवल कुछ ही साइट्स थीं, जिससे पूर्ण घातीय विकास की क्षमता देखना असंभव था। ऑप्टिकल फाइबर लूप में एक फ्रीक्वेंसी-एनकोडिंग योजना का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा प्लेटफॉर्म बनाया है जिसे प्रत्येक नए जुड़ाव के लिए जटिल नए हार्डवेयर की आवश्यकता के बिना आसानी से विस्तारित किया जा सकता है। यह दृष्टिकोण उन कठिन टू-फोटोन प्रक्रियाओं (two-photon processes) की आवश्यकता को टालता है जो शुरुआती डिजाइनों में बाधा बनी हुई थीं, जिससे यह तकनीक बहुत अधिक मजबूत और निर्माण में आसान हो जाती है। प्रयोग यह सिद्ध करता है कि गैर-पारसीय गतिकी (non-reciprocal dynamics) का उपयोग करके संवेदनशीलता की मौलिक सीमाओं को तोड़ा जा सकता है, जो ऐसे उपकरण बनाने के लिए एक नया मार्ग प्रदान करता है जो शोर भरी दुनिया में सबसे कमजोर संकेतों का पता लगा सकते हैं।

आगे देखते हुए, शोधकर्ताओं का सुझाव है कि यह तकनीक विशेष रूप से उन अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी हो सकती है जहाँ पर्यावरणीय शोर एक प्रमुख बाधा है। चूंकि यह सिस्टम ऑप्टिकल फाइबर पर निर्भर करता है, जो पहले से ही वैश्विक दूरसंचार की रीढ़ है, यह रिमोट सेंसिंग अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है जहाँ संकेतों को लंबी दूरी तय करनी होती है। इसके अलावा, ऑप्टिकल प्रक्रियाओं के माध्यम से कमजोर माइक्रोवेव टोन का पता लगाने की क्षमता सुपरकंडक्टिंग क्वांटम कंप्यूटरों को पढ़ने के अधिक कुशल तरीकों के द्वार खोलती है, जो वर्तमान में शोर हस्तक्षेप से जूझ रहा एक क्षेत्र है। यह प्रदर्शित करके कि संकेत और शोर को अलग-अलग स्केल किया जा सकता है, यह कार्य सेंसिंग के एक नए युग को स्थापित करता है जहाँ डिवाइस का आकार स्वयं अभूतपूर्व सटीकता प्राप्त करने का एक उपकरण बन जाता है। यह प्रयोग एक स्पष्ट प्रदर्शन है कि कैसे सिस्टम के माध्यम से प्रकाश के संचलन के तरीके को बदलकर, वैज्ञानिक उन क्षमताओं को अनलॉक कर सकते हैं जो कभी भौतिक रूप से असंभव मानी जाती थीं।