Engineering Zeeman-manifold quintets using state-dependent light shifts in neutral atoms

उन मशीनों के निर्माण की खोज में जो आज के कंप्यूटरों की पहुंच से परे समस्याओं को हल कर सकें, वैज्ञानिक अक्सर प्रकृति के सबसे छोटे निर्माण खंडों की ओर देखते हैं। एक आशाजनक मार्ग में व्यक्तिगत परमाणुओं को सूचना की बुनियादी इकाइयों के रूप में उपयोग करना शामिल है। जबकि अधिकांश वर्तमान प्रयास परमाणुओं को साधारण स्विच की तरह उपयोग करने पर केंद्रित हैं जो या तो चालू (on) होते हैं या बंद (off), एक अधिक उन्नत दृष्टिकोण उन परमाणुओं का उपयोग करने की तलाश करता है जो एक साथ कई अवस्थाओं में रह सकते हैं। यह अवधारणा, जिसे 'क्विडिट' (qudit) कहा जाता है, एक एकल परमाणु को एक मानक दो-अवस्था वाले स्विच से अधिक जानकारी रखने की अनुमति देती है, जिससे क्वांटम कंप्यूटर अधिक शक्तिशाली और कुशल बन सकते हैं। इसे सफल बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को इन कई अवस्थाओं को अत्यधिक सटीकता के साथ नियंत्रित करने में सक्षम होना चाहिए, यानी बिना उस नाजुक जानकारी को खोए उन्हें चालू या बंद करना या अवस्थाओं के बीच बदलना। चुनौती इन कई समान अवस्थाओं के बीच अंतर करने और उन्हें ऐसे उपकरणों का उपयोग करके व्यक्तिगत रूप से संचालित करने में निहित है जो परमाणु को परेशान किए बिना पर्याप्त तेज़ और कोमल हों।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब स्ट्रोंटियम (strontium), जो कि आतिशबाजी और चिकित्सा इमेजिंग में पाया जाने वाला एक सामान्य धातु है, का उपयोग करके इन जटिल पांच-अवस्था वाले परमाणुओं को बनाने और नियंत्रित करने के लिए एक व्यावहारिक विधि प्रस्तावित की है। उनका कार्य, जो एक नए अध्ययन में विस्तृत है, एक एकल स्ट्रोंटियम परमाणु के भीतर पांच ऊर्जा स्तरों के एक विशिष्ट सेट को इंजीनियर करने और चुंबकीय क्षेत्रों तथा सावधानीपूर्वक ट्यून की गई लेजर लाइट के संयोजन का उपयोग करके उन्हें नियंत्रित करने की रूपरेखा तैयार करता है। शोधकर्ताओं ने स्ट्रोंटियम परमाणु की एक लंबी अवधि वाली, उत्तेजित अवस्था (excited state) पर ध्यान केंद्रित किया जो दशकों तक अपनी ऊर्जा बनाए रख सकती है, जिससे गणना के लिए एक स्थिर विंडो प्रदान होती है। 'ऑप्टिकल ट्वीज़र्स' (optical tweezers) नामक प्रकाश की छोटी, केंद्रित किरणों में व्यक्तिगत परमाणुओं को फंसाकर, उन्होंने एक नियंत्रित वातावरण बनाया जहाँ इन परमाणुओं को अलग किया जा सकता था और हेरफेर किया जा सकता था। उनकी मुख्य नवीनता एक ऐसी तकनीक है जो एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करती है ताकि पांच ऊर्जा स्तरों को थोड़ा अलग किया जा सके, और फिर ट्रैपिंग लाइट (trapping light) का उपयोग करके उनके बीच के अंतराल को सूक्ष्म रूप से ट्यून किया जा सके। यह प्रत्येक पांच अवस्थाओं के लिए एक अनूठा "पता" (address) बनाता है, जिससे वैज्ञानिकों को मानक रेडियो-फ्रीक्वेंसी संकेतों का उपयोग करके उन्हें एक-एक करके लक्षित करने की अनुमति मिलती है, ठीक वैसे ही जैसे एक रेडियो किसी विशिष्ट स्टेशन को ट्यून करता है।

शोधकर्ताओं ने विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से संख्यात्मक रूप से प्रदर्शित किया कि यह दृष्टिकोण पांच अवस्थाओं पर लगभग पूर्ण नियंत्रण प्राप्त कर सकता है। उन्होंने दिखाया कि परमाणु को एक माइक्रोसेकंड से भी कम समय में एक विशिष्ट प्रारंभिक अवस्था में तैयार करना संभव है, जो एक ऐसी गति है जो परमाणु के अपनी ऊर्जा खोने से पहले कई ऑपरेशन करने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। एक बार तैयार होने के बाद, सिस्टम को उनकी विभिन्न अवस्थाओं के बीच लगभग 99 प्रतिशत की शुद्धता (fidelity) के साथ घुमाया जा सकता है। यह उच्च स्तर की सटीकता वास्तविक दुनिया की खामियों, जैसे कि परमाणुओं को पकड़ने के लिए उपयोग की जाने वाली लेजर की शक्ति में सूक्ष्म उतार-चढ़ाव को ध्यान में रखते हुए भी बनाए रखी गई थी। सिमुलेशन ने यह भी दिखाया कि सिस्टम को तेजी से और सटीक रूप से पढ़ा जा सकता है। परमाणु की अवस्था को वापस उसके ग्राउंड लेवल (ground level) पर स्थानांतरित करके और उसकी तस्वीर लेकर, शोधकर्ता दस माइक्रोसेकंड से कम समय में गणना का अंतिम परिणाम निर्धारित कर सकते हैं। तैयारी, हेरफेर और पढ़ने का यह तीव्र चक्र क्वांटम प्रोसेसर बनाने की दिशा में एक पथ सुझाता है जो तेज़ और विश्वसनीय दोनों हों।

इस पद्धति का एक प्रमुख लाभ पांच अवस्थाओं के पूरे समूह को एक एकल, सुसंगत इकाई (coherent unit) के रूप में संभालने की इसकी क्षमता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि ट्रैपिंग लाइट की तीव्रता और चुंबकीय क्षेत्र की ताकत को समायोजित करके, वे यह सुनिश्चित कर सकते हैं कि एक विशिष्ट आवृत्ति की रेडियो तरंगें केवल एक अवस्था के जोड़े को प्रभावित करें बिना अनजाने में दूसरों को परेशान किए। यह व्यक्तिगत एड्रेसेबिलिटी (addressability) जटिल गणनाएं करने के लिए आवश्यक है। अध्ययन ने एक बड़े ऐरे (array) में परमाणुओं को नियंत्रित करने के तरीके का भी अन्वेषण किया, जहाँ कई परमाणु अगल-बगल फँसे होते हैं। सभी को छोड़कर केवल एक परमाणु पर प्रकाश को थोड़ा कम करके, शोधकर्ताओं ने कल्पना की और सिमुलेशन किया कि वे अपने पड़ोसियों को प्रभावित किए बिना एक एकल परमाणु पर ऑपरेशन कर सकते हैं, जो बड़े क्वांटम कंप्यूटरों तक विस्तार करने के लिए एक आवश्यक कदम है। सिमुलेशन ने भविष्यवाणी की कि एक एकल परमाणु पर सौ मिलीसेकंड के भीतर तीन सौ से अधिक ऑपरेशन उच्च सटीकता बनाए रखते हुए किए जा सकते हैं।

यह कार्य स्ट्रोंटियम परमाणुओं के अद्वितीय गुणों पर निर्भर करता है, जिनके पास एक सरल संरचना है जो अन्य तत्वों की तुलना में उन्हें मॉडल और नियंत्रित करना आसान बनाती है। प्रस्तावित सेटअप ऊर्जा स्तरों के बीच प्रारंभिक अलगाव बनाने के लिए 100 गॉस का चुंबकीय क्षेत्र और परमाणुओं को फँसाने के लिए 1064 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य वाली एक लेजर बीम का उपयोग करता है। ट्रैपिंग लाइट को एक विशिष्ट तरीके से ध्रुवीकृत (polarized) किया जाता है ताकि एक ऐसा बल पैदा किया जा सके जो परमाणु की आंतरिक अवस्था पर निर्भर करता है, जो वह तंत्र है जो ऊर्जा अंतराल को सूक्ष्म रूप से ट्यून करने की अनुमति देता है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि इन परिस्थितियों में, परमाणु कई सेकंड तक फंसे रहेंगे, जो व्यापक गणनाओं के लिए पर्याप्त समय प्रदान करता है। उन्होंने हीटिंग (heating) के मुद्दे को भी संबोधित किया, यह दिखाते हुए कि परमाणुओं को ऐसी स्थिति तक ठंडा किया जा सकता है जहाँ वे मुश्किल से हिलते हैं, जो परमाणु की गति को सटीक नियंत्रण को धुंधला करने से रोकने के लिए आवश्यक है।

हालांकि प्रस्तुत परिणाम भौतिक प्रयोग के बजाय सिमुलेशन पर आधारित हैं, लेकिन उपयोग किए गए पैरामीटर आज की प्रयोगशालाओं में पहले से मौजूद वास्तविक प्रयोगात्मक क्षमताओं से लिए गए हैं। अध्ययन सुझाव देता है कि इस तरह की प्रणाली बनाने के लिए आवश्यक तकनीक पहुंच के भीतर है, जिसके लिए केवल ट्रैपिंग, कूलिंग और परमाणुओं के हेरफेर के ज्ञात तकनीकों के एकीकरण की आवश्यकता है। लेखक स्वीकार करते हैं कि भविष्य के कार्य को एक दूसरे से एंटेंगल्ड (entangled) अवस्थाओं को बनाने के लिए इन व्यक्तिगत परमाणुओं को आपस में जोड़ने के तरीके को संबोधित करने की आवश्यकता होगी, जो पूर्ण क्वांटम कंप्यूटिंग शक्ति के लिए एक आवश्यक कदम है। वे यह भी प्रस्तावित करते हैं कि ऐरे में परमाणुओं की निरंतर पूर्ति करके, यह विनाशकारी रीडआउट (destructive readout) की सीमाओं को दूर करने के लिए संभव हो सकता है, जहाँ माप प्रक्रिया परमाणु की अवस्था को नष्ट कर देती है। यह अधिक गहरी और जटिल गणनाओं को संभव बनाएगा।

इस शोध के निहितार्थ केवल एक तेज़ कंप्यूटर बनाने से कहीं अधिक हैं। उच्च-आयामी क्वांटम अवस्थाओं को नियंत्रित करने की क्षमता ऐसे नए प्रकार के सेंसर बना सकती है जो वर्तमान उपकरणों की तुलना में चुंबकीय क्षेत्रों या समय के प्रति अधिक संवेदनशील हों। यह उन जटिल भौतिक प्रणालियों का अनुकरण करने का द्वार भी खोलता है जिन्हें मानक कंप्यूटरों द्वारा मॉडल करना कठिन है, जैसे कि परमाणु स्तर पर पदार्थों का व्यवहार। एक पांच-अवस्था प्रणाली को उच्च शुद्धता और गति के साथ नियंत्रित करने की क्षमता को सिद्ध करके, शोधकर्ताओं ने अगली पीढ़ी की क्वांटम प्रौद्योगिकियों के लिए एक ब्लूप्रिंट प्रदान किया है। अध्ययन स्ट्रोंटियम को एक विशेष रूप से आशाजनक प्लेटफॉर्म के रूप में रेखांकित करता है, जो दीर्घ स्थिरता और तेज़ संचालन का एक ऐसा संतुलन प्रदान करता है जो अन्य परमाणु प्रणालियों में खोजना कठिन है। जैसे-जैसे क्वांटम कंप्यूटिंग का क्षेत्र विकसित हो रहा है, इस तरह की विधियाँ, जो अमूर्त अवधारणाओं को ठोस, नियंत्रणीय प्रणालियों में बदल देती हैं, सैद्धांतिक संभावनाओं को व्यावहारिक वास्तविकता में बदलने के लिए आवश्यक होंगी। आगे का रास्ता इन तकनीकों को परिष्कृत करने, लैब में इनका परीक्षण करने और अंततः कई परमाणुओं को एक साथ काम करने के लिए बड़े पैमाने पर विस्तारित करने में निहित है। ऐसी प्रणाली की क्षमता जो सूचना को संसाधित करने और भौतिक दुनिया को समझने के हमारे तरीके में क्रांति लाने की है, विज्ञान के भविष्य के लिए एक सम्मोहक दृष्टि बनी हुई है।