Integrated on-chip quantum light sources on a van der Waals platform

एक क्वांटम कंप्यूटर बनाने का सपना जो आज की मशीनों की पहुंच से परे समस्याओं को हल कर सके, अक्सर एक ही जिद्दी चुनौती पर टिका होता है: प्रकाश के सूक्ष्म कणों, जिन्हें फोटॉन कहा जाता है, को एक ही सूक्ष्म चिप पर एक-दूसरे से बात करने के लिए कैसे प्रेरित किया जाए। क्वांटम सूचना की दुनिया में, ये फोटॉन संदेशवाहकों के रूप में कार्य करते हैं, जो सर्किटों के माध्यम से नाजुक डेटा ले जाते हैं। इसे बड़े पैमाने पर सफल बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को एक ऐसे प्लेटफॉर्म की आवश्यकता है जहाँ प्रकाश के स्रोत जो फोटॉन बनाते हैं, वे चैनल जो उन्हें निर्देशित करते हैं, और वे डिटेक्टर जो उन्हें पकड़ते हैं, सभी एक ही तरह की सामग्रियों से बने हों और एक ही स्थान पर निर्मित हों। वर्षों से, शोधकर्ता इन टुकड़ों को विभिन्न सामग्रियों, जैसे कि चैनलों के लिए सिलिकॉन और प्रकाश स्रोतों के लिए विशेष अर्धचालकों (सेमीकंडक्टर्स) का उपयोग करके जोड़ने का प्रयास कर रहे हैं, लेकिन इन अलग-अलग सामग्रियों को एक साथ काम करने के लिए मजबूर करना कांच को रबर से चिपकाने की कोशिश करने जैसा है; यह प्रक्रिया नाजुक, जटिल और बड़े पैमाने पर ले जाने में कठिन है। एक अधिक आशाजनक मार्ग 'वैन डेर वाल्स' (van der Waals) सामग्रियों के रूप में जानी जाने वाली सामग्रियों के परिवार का उपयोग करने में निहित है, जो परमाणु रूप से पतली परतों से बनी होती हैं जिन्हें बिना किसी कठोर रासायनिक बंधन के लेगो (Lego) ब्लॉक्स की तरह एक के ऊपर एक रखा जा सकता है, जो इन एकीकृत सर्किटों को बनाने का एक स्वच्छ तरीका प्रदान करती हैं।

एक नए अध्ययन में, डेनमार्क की तकनीकी विश्वविद्यालय (Technical University of Denmark) के शोधकर्ताओं ने इन पतली, स्टैकेबल (एक के ऊपर एक रखी जाने वाली) सामग्रियों से पूरी तरह से बना एक कार्यात्मक क्वांटम प्रकाश स्रोत बनाकर इस लक्ष्य की ओर एक महत्वपूर्ण कदम बढ़ाया है। उन्होंने एक ऐसा उपकरण बनाया जहाँ टंगस्टन डिसेलेनाइड (tungsten diselenide) से बना एक विशिष्ट प्रकार का परमाणु रूप से पतला क्रिस्टल, सिंगल फोटॉन के लिए एक फैक्ट्री के रूप में कार्य करता है। इस क्रिस्टल को सीधे एक वेवगाइड के ऊपर रखा गया था, जो टंगस्टन डाइसल्फाइड नामक एक अलग क्रिस्टल से बना एक सूक्ष्म चैनल है, जिसे प्रकाश को पकड़ने और उसे एक पथ के साथ निर्देशित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इस सूक्ष्म चैनल से प्रकाश को बाहर निकालने और एक मापने वाले उपकरण में भेजने के लिए, उन्होंने चैनल में संकेंद्रित छल्लों (concentric rings) की एक श्रृंखला उकेरी थी, जो एक ग्रेटिंग की तरह कार्य करती है और प्रकाश को ऊपर की ओर बिखेरती है। परिणाम एक पूरी तरह से एकीकृत प्रणाली है जहाँ प्रकाश उत्पन्न, निर्देशित और निकाला जाता है, और यह सब इन द्वि-आयामी (two-dimensional) सामग्रियों से बनी एक ही चिप पर होता है।

शोधकर्ताओं ने प्रकाश स्रोत को अधिक उज्ज्वल और स्वच्छ बनाने के लिए एक विशिष्ट तकनीक पर ध्यान केंद्रित किया। क्रिस्टल पर प्रकाश का एक विस्तृत स्पेक्ट्रम डालने के बजाय, उन्होंने एक बहुत ही सटीक लेजर का उपयोग किया जो एक विशिष्ट ऊर्जा स्तर पर ट्यून किया गया था, जो उस बिंदु से ठीक नीचे है जहाँ सामग्री सामान्य रूप से प्रकाश को अवशोषित करती है। 'डिस्क्रीट-स्टेट एक्साइटेशन' (discrete-state excitation) के रूप में जानी जाने वाली इस विधि ने उन्हें अन्य तरीकों से आने वाली शोर भरी पृष्ठभूमि की चमक (background glow) से बचते हुए, सिंगल फोटॉन के उत्सर्जन को ट्रिगर करने की अनुमति दी। जब उन्होंने उपकरण से निकलने वाले प्रकाश का परीक्षण किया, तो पाया कि यह अविश्वसनीय रूप से शुद्ध था। क्वांटम भौतिकी की दुनिया में, शुद्धता इस बात से मापी जाती है कि एक डिटेक्टर कितनी बार दो फोटॉन को बिल्कुल एक ही समय पर आते हुए देखता है; एक वास्तविक सिंगल-फोटॉन स्रोत के लिए, ऐसा लगभग कभी नहीं होना चाहिए। टीम ने इस मान को अत्यंत शून्य के करीब पाया, जो यह दर्शाता है कि उपकरण सफलतापूर्वक एक समय में एक फोटॉन को बहुत उच्च विश्वसनीयता के साथ उत्सर्जित कर रहा था।

यह सिद्ध करने के लिए कि प्रकाश वास्तव में वेवगाइड के माध्यम से यात्रा कर रहा है और केवल बेतरतीब ढंग से बाहर नहीं निकल रहा है, शोधकर्ताओं ने एक चतुर परीक्षण स्थापित किया। उन्होंने सूक्ष्म चैनल के दोनों सिरों से एक साथ प्रकाश एकत्र किया। फोटोन के प्रवाह की तुलना करके, वे पुष्टि कर सके कि प्रकाश चिप के माध्यम से कुशलतापूर्वक निर्देशित किया जा रहा था। इस दो-तरफा माप ने दिखाया कि फोटोन चैनल के दोनों सिरों के बीच विभाजित किए जा रहे थे, और बड़ी संख्या में फोटोन डिटेक्टरों तक पहुँच रहे थे। उन्होंने गणना की कि यह उपकरण प्रति सेकंड सैकड़ों हजारों सिंगल फोटॉन भेजने में सक्षम था, एक ऐसी दर जो, सिस्टम के नुकसान के लिए समायोजन करने के बाद, यह सुझाव देती है कि स्रोत वेवगाइड के भीतर प्रति सेकंड लाखों फोटॉन उत्पन्न कर रहा है। चमक और दक्षता का यह स्तर समान सामग्रियों का उपयोग करने वाले पिछले प्रयासों की तुलना में एक बड़ा सुधार है।

उनकी सफलता का एक प्रमुख हिस्सा सामग्रियों को स्टैक करने का तरीका था। उन्होंने प्रकाश स्रोत और वेवगाइड के बीच हेक्सागोनल बोरान नाइट्राइड (hexagonal boron nitride) नामक सामग्री की एक पतली परत रखी। इस परत ने एक सुरक्षात्मक स्पेसर (spacer) के रूप में कार्य किया, जिसने नाजुक प्रकाश-उत्सर्जक क्रिस्टल को वेवगाइड पर रखे जाने पर टूटने से बचाया, जबकि यह चैनल में प्रकाश को कुशलतापूर्वक युग्मित (couple) होने की अनुमति भी देता रहा। इस स्पेसर के बिना, क्रिस्टल टूटने लगते थे, जिससे उपकरण खराब हो जाता था। टीम ने यह भी पता लगाया कि निकलने वाला प्रकाश अत्यधिक ध्रुवीकृत (polarized) था, जिसका अर्थ है कि प्रकाश की तरंगें एक विशिष्ट दिशा में कंपन कर रही थीं, जो भविष्य के सर्किटों में प्रकाश के व्यवहार को नियंत्रित करने के लिए एक उपयोगी विशेषता है।

अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि इसने क्वांटम कंप्यूटिंग की सभी समस्याओं को हल कर दिया है, लेकिन यह प्रदर्शित करता है कि केवल इन बहुमुखी, पतली सामग्रियों का उपयोग करके एक पूर्ण, कामकाजी क्वांटम प्रकाश स्रोत बनाया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि परतों और वेवगाइड के आकार को सावधानीपूर्वक इंजीनियर करके, वे प्रकाश को स्रोत से चैनल में ले जाने की सामान्य कठिनाइयों को दूर कर सकते हैं। उन्होंने इस विचार को भी खारिज कर दिया कि प्रकाश केवल सतह से बिखर रहा था; मापों ने पुष्टि की कि फोटॉन वेवगाइड मोड के माध्यम से यात्रा कर रहे थे। हालांकि वर्तमान उपकरण एक प्रोटोटाइप है, परिणाम आगे बढ़ने का एक स्पष्ट मार्ग सुझाते हैं। इन्हीं सामग्रियों के परिवार से बने डिटेक्टरों और फिल्टरों जैसे अधिक घटकों को जोड़कर, वैज्ञानिक अंततः जटिल क्वांटम सर्किट बना सकते हैं जो वर्तमान हाइब्रिड प्रणालियों की तुलना में अधिक आसानी से निर्मित और अधिक विश्वसनीय होंगे। यह कार्य स्थापित करता है कि 'वैन डेर वाल्स' प्लेटफॉर्म अगली पीढ़ी की क्वांटम प्रौद्योगिकियों के लिए एक व्यवहार्य और शक्तिशाली आधार है।