Attosecond Control of Squeezed Light
यह शोध पत्र एक डाइइलेक्ट्रिक में स्क्वीज्ड लाइट (squeezed light) के उत्पादन पर एटोसेकंड-स्केल नियंत्रण प्रदर्शित करता है, जो मजबूत अल्ट्राफास्ट क्षेत्रों के साथ इसके तीसरे-क्रम की नॉनलीनियर प्रतिक्रिया को मॉड्युलेट करके संभव होता है, जिससे एम्प्लीट्यूड- और फेज-स्क्वीज्ड अवस्थाओं के बीच सब-साइकिल स्विचिंग और कई फ्रीक्वेंसी मोड्स में क्वाड्रचर सहसंबंधों (quadrature correlations) का एक साथ मापन सक्षम होता है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
प्रकाश केवल एक ऐसी किरण मात्र नहीं है जो हमें देखने में मदद करती है; यह फोटॉन नामक कणों की एक धारा है जो अपने आकार में सूचना लेकर चलती है। क्वांटम दुनिया में, हमारे द्वारा किए जाने वाले सबसे सटीक माप प्रकाश की अपनी अंतर्निहित मौलिक अस्पष्टता (fuzziness) द्वारा सीमित होते हैं, जिसे शॉट शोर (shot noise) कहा जाता है। यह शोर एक निरंतर, सूक्ष्म स्टेटिक (static) की तरह है जो प्रकाश तरंग की स्थिति या समय को पूर्ण सटीकता के साथ मापना असंभव बना देता है। वैज्ञानिकों ने लंबे समय से इस स्टेटिक को शांत करने का एक तरीका खोज लिया है, जिसे 'स्क्वीज्ड लाइट' (squeezed light) नामक एक विशेष प्रकार का प्रकाश बनाकर किया जाता है। इस अवस्था में, अनिश्चितता को हटाया नहीं जाता है, बल्कि स्थानांतरित कर दिया जाता है: प्रकाश के एक गुण में शोर को प्राकृतिक सीमा से नीचे कम कर दिया जाता है, जबकि दूसरे गुण में क्षतिपूर्ति के लिए शोर बढ़ जाता है। इस तकनीक ने पहले ही LIGO जैसे गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टरों को टकराते हुए ब्लैक होल की मंद लहरों को सुनने में सक्षम बनाया है, और यह क्वांटम कंप्यूटिंग के भविष्य के लिए आवश्यक है।
हालाँकि, दशकों से, इस विशेष प्रकाश को बनाना एक धीमी, स्थिर प्रक्रिया रही है, जिसमें आमतौर पर लेजर प्रकाश की निरंतर धाराओं का उपयोग किया जाता है जो एक स्थिर नदी की तरह बहती हैं। चुनौती इस प्रकाश को उन अविश्वसनीय रूप से तेज़ समय-सीमाओं (timescales) पर नियंत्रित करने की रही है जहाँ वास्तव में क्वांटम घटनाएँ घटित होती हैं, जिन्हें फेमटोसेकंड (femtoseconds) और अटोसेकंड (attoseconds) में मापा जाता है। एक फेमटोसेकंड एक सेकंड का एक क्वाड्रिलियनवाँ हिस्सा है, और एक अटोसेकंड उससे भी छोटा, एक अरबवें हिस्से का एक अरबवाँ हिस्सा है। अब तक, इन तीव्र गति से स्क्वीज्ड लाइट उत्पन्न करना और उसे आकार देना कठिन रहा है, जिससे क्वांटम प्रक्रियाओं की गति और उन्हें नियंत्रित करने वाले उपकरणों के बीच एक अंतर बना हुआ था। पर्ड्यू यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने अब इस अंतर को पाट दिया है, यह प्रदर्शित करते हुए कि अटोसेकंड के समय-पैमाने पर स्क्वीज्ड लाइट को कैसे उत्पन्न और नियंत्रित किया जा सकता है, जिससे प्रभावी रूप से प्रकाश के क्वांटम शोर को एक ऐसे डायल में बदल दिया गया है जिसे पहले से कहीं अधिक तेज़ी से ट्यून किया जा सकता है।
टीम ने मैग्नीशियम ऑक्साइड से बने क्रिस्टल में लेजर प्रकाश के तीन अत्यंत लघु पल्स (pulses) दागकर यह उपलब्धि हासिल की। ये पल्स इतने तीव्र हैं कि वे केवल सामग्री से गुजरते ही नहीं हैं; वे क्षण भर के लिए सामग्री की आंतरिक संरचना को नाटकीय रूप से बदल देते हैं। जैसे ही लेजर पल्स का विद्युत क्षेत्र क्रिस्टल के इलेक्ट्रॉनों के साथ परस्पर क्रिया करता है, यह सामग्री की प्रकाश के प्रति प्रतिक्रिया के तरीके को संशोधित करता है, एक ऐसी प्रक्रिया जो अटोसेकंड के समय-पैमाने पर होती है। लेजर पल्स के बीच के समय को मात्र कुछ फेमटोसेकंड के अंशों द्वारा सावधानीपूर्वक समायोजित करके, शोधकर्ता उत्पन्न प्रकाश में शोर की कमी के प्रकार को बदल सके। उन्होंने पाया कि केवल कुछ सौ अटोसेकंड के अंतराल को बदलकर, वे प्रकाश को इसकी चमक (एम्प्लीट्यूड) में शोर कम करने से बदलकर इसके समय (फेज) में शोर कम करने की ओर स्विच कर सकते थे। यह स्विचिंग इतनी तेज़ी से होती है कि यह प्रकाश तरंग के एक एकल चक्र के भीतर ही घटित होती है।
इस प्रभाव को देखने के लिए, वैज्ञानिकों ने एक परिष्कृत मापन प्रणाली बनाई जो प्रकाश तरंगों के लिए एक हाई-स्पीड कैमरे की तरह कार्य करती है। उन्होंने स्क्वीज्ड लाइट को एक संदर्भ बीम (reference beam) के साथ जोड़ा और एक विशेष कैमरे का उपयोग किया जो एक साथ कई अलग-अलग रंगों के प्रकाश के गुणों को कैप्चर कर सके। इसने उन्हें क्वांटम अवस्था की एक पूर्ण तस्वीर को पुनर्गठित करने की अनुमति दी, जिससे यह दिखाया जा सके कि शोर कैसे वितरित है। मापों ने पुष्टि की कि प्रकाश वास्तव में 'स्क्वीज्ड' था, जिसमें शोर का स्तर लेजर द्वारा निर्धारित मौलिक सीमा से नीचे गिर गया। शोधकर्ताओं ने गणना की कि स्क्वीज़िंग लगभग 1.6 डेसिबल मानक शोर तल (noise floor) से नीचे पहुँच गई। हालाँकि यह संख्या धीमी, निरंतर प्रयोगों में प्राप्त रिकॉर्ड-तोड़ स्तरों की तुलना में छोटी लग सकती है, लेकिन इसका महत्व इसकी गति और नियंत्रण में निहित है। टीम ने सिद्ध किया कि प्रकाश के क्वांटम गुणों को प्रकाश तरंग के अपने दोलन के समय-पैमाने पर हेरफेर किया जा सकता है, जो कि पहले अप्राप्य था।
अध्ययन ने यह भी प्रकट किया कि इस तरह से उत्पन्न प्रकाश अत्यधिक व्यवस्थित होता है। भले ही लेजर पल्स में रंगों का एक विस्तृत स्पेक्ट्रम होता है, लेकिन इन विभिन्न रंगों के बीच क्वांटम सहसंबंध (correlations) कड़ाई से सिंक्रोनाइज़्ड होते हैं। शोधकर्ताओं ने मानचित्रित किया कि प्रकाश के एक रंग में शोर दूसरे रंग के शोर से कैसे संबंधित है, और पाया कि वे पूर्ण सामंजस्य में एक साथ चलते हैं। यह सुझाव देता है कि प्रकाश का पूरा पल्स एक एकल, सुसंगत क्वांटम वस्तु की तरह व्यवहार करता है, भले ही इसे एक जटिल, अल्ट्राफास्ट इंटरेक्शन के माध्यम से उत्पन्न किया गया हो। इसके अलावा, टीम ने देखा कि प्रकाश लगभग पूरी तरह से गॉसियन (Gaussian) था, जिसका अर्थ है कि इसका सांख्यिकीय व्यवहार एक मानक बेल कर्व (bell curve) का अनुसरण करता है, जिसमें गैर-मानक व्यवहार का केवल एक बहुत छोटा हिस्सा है। यह विचलन, जो लगभग दस प्रतिशत है, उस जटिल, गैर-रेखीय भौतिकी की ओर संकेत करता है जो तब घटित होती है जब लेजर क्षेत्र इतना शक्तिशाली होता है कि वह सामग्री के इलेक्ट्रॉनिक परिदृश्य को वास्तविक समय में नया आकार दे सके।
यह कार्य क्वांटम प्रकाश को नियंत्रित करने के लिए एक नया मार्ग खोलता है। अल्ट्राफास्ट लेजर के शक्तिशाली क्षेत्रों का उपयोग करके सामग्री की प्रतिक्रिया को संशोधित करके, शोधकर्ताओं ने उप-चक्र सटीकता (sub-cycle precision) के साथ क्वांटम प्रकाश को ट्यून करने की एक विधि विकसित की है। इस स्तर का नियंत्रण भविष्य के प्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण हो सकता है जहाँ क्वांटम प्रकाश का उपयोग अन्य अल्ट्राफास्ट प्रक्रियाओं को संचालित करने के लिए किया जाता है, जैसे कि प्रकाश के और भी छोटे पल्स उत्पन्न करना या परमाणुओं का आयनीकरण करना। अटोसेकंड के समय-पैमाने पर विभिन्न प्रकार के स्क्वीज्ड लाइट के बीच स्विच करने की क्षमता वैज्ञानिकों को दुनिया के सबसे मौलिक स्तर पर क्वांटम दुनिया का पता लगाने के लिए एक नया उपकरण प्रदान करती है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया है कि प्रकाश का क्वांटम शोर एक निश्चित बाधा नहीं है बल्कि एक गतिशील विशेषता है जिसे आकार दिया और नियंत्रित किया जा सकता है, जो एक ऐसे भविष्य की झलक देता है जहाँ क्वांटम प्रौद्योगिकियाँ समय की बिल्कुल अंतिम सीमा पर संचालित होती हैं।
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