Phase-Randomized Laser Pulse Generation at 10 GHz for Quantum Photonic Applications
यह शोध पत्र एक बाहरी स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन स्रोत (spontaneous emission source) को पेश करके गेन-स्विच्ड लेजर डायोड की फेज-कोरिलेशन सीमाओं को दूर करने की एक विधि प्रस्तुत करता है, जो उच्च-दर वाले क्वांटम फोटोनिक अनुप्रयोगों के लिए 10 GHz पर फेज-रैंडमाइज्ड ऑप्टिकल पल्स के उत्पादन को सक्षम बनाता है।
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क्वांटम संचार की छिपी हुई दुनिया में, सुरक्षा एक मौलिक सिद्धांत पर टिकी है: अप्रत्याशितता। कल्पना कीजिए कि दो लोग एक गुप्त कोड साझा करने की कोशिश कर रहे हैं। यह सुनिश्चित करने के लिए कि कोई और इसका अनुमान न लगा सके, उनके द्वारा भेजे जाने वाले संकेतों को वास्तव में यादृच्छिक (random) होना चाहिए, न कि केवल यादृच्छिक दिखना चाहिए, बल्कि वे स्वयं ब्रह्मांड की अराजक प्रकृति से उत्पन्न होने चाहिए। इन संकेतों को बनाने के सबसे आशाजनक तरीकों में से एक अविश्वसनीय रूप से तेज़ फ्लैश करने वाले लेजर का उपयोग करना है। जब एक लेजर को बहुत तेज़ी से बंद और फिर से चालू किया जाता है, तो इसके द्वारा उत्पन्न प्रकाश का "फेज" (phase) पूरी तरह से यादृच्छिक होना चाहिए, जो अनिवार्य रूप से प्रकाश तरंग के शिखर (peaks) और गर्त (valleys) का समय है। यदि यह समय निर्धारण यादृच्छिक है, तो संकेत सुरक्षित है। हालाँकि, इसमें एक पेंच है। यदि लेजर बहुत तेज़ी से फ्लैश करता है, तो पिछले फ्लैश का प्रकाश उपकरण के भीतर बना रहता है, जो एक भूत की तरह अगले फ्लैश को प्रभावित करता है। यह ठहर हुआ प्रकाश एक पैटर्न बनाता है, जिससे संकेत पूर्वानुमेय (predictable) हो जाते हैं और सुरक्षा टूट जाती है। वर्षों से, इस ठहरने वाले प्रभाव ने वैज्ञानिकों को अपने लेजर फ्लैश दर को अपेक्षाकृत धीमा रखने के लिए मजबूर किया है, जिससे उनके द्वारा गुप्त संदेश भेजने या यादृच्छिक संख्याएँ उत्पन्न करने की गति सीमित हो गई है।
टोशिबा यूरोप लिमिटेड और कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस गति सीमा को तोड़ने का एक तरीका खोज लिया है। उन्होंने एक ऐसा तरीका खोजा जिससे लेजर को अपना अतीत भूलने के लिए मजबूर किया जा सके, जिससे वह पूर्ण यादृच्छिकता बनाए रखते हुए प्रति सेकंड 10 अरब बार फ्लैश कर सके। इसे प्राप्त करने के लिए, उन्होंने लेजर को ठहर रहे प्रकाश को साफ करने की कोशिश नहीं की; इसके बजाय, उन्होंने लेजर को एक बाहरी उपकरण से आने वाले ताज़ा, अराजक प्रकाश के स्रोत से भर दिया। इस बाहरी प्रकाश को इंजेक्ट करके, जो एक विशेष प्रकार के डायोड द्वारा उत्पन्न किया जाता है जो शुद्ध रूप से स्वतःस्फूर्त (spontaneous), यादृच्छिक प्रक्रियाओं के माध्यम से प्रकाश उत्सर्जित करता है, उन्होंने लेजर की स्मृति को दबा दिया। यह बाहरी प्रकाश प्रत्येक एकल फ्लैश के लिए एक नए बीज (seed) के रूप में कार्य करता है, यह सुनिश्चित करता है कि प्रत्येक पल्स एक पूरी तरह से ताज़ा और अप्रत्याशित फेज के साथ शुरू हो। परिणाम स्वरूप, एक ऐसा लेजर प्राप्त हुआ जो पहले असंभव मानी जाने वाली गति पर काम कर सकता है, जिससे सुरक्षित क्वांटम अनुप्रयोगों के लिए बाधा प्रभावी रूप से हट गई है।
शोधकर्ताओं ने अपने विचार का परीक्षण एक मानक लेजर डायोड का उपयोग करके किया, जो एक ऐसा उपकरण है जो बिजली लागू करने पर प्रकाश उत्सर्जित करता है। एक सामान्य सेटअप में, वे प्रकाश पल्स की एक श्रृंखला बनाने के लिए लेजर को चालू और बंद करेंगे। जब उन्होंने इस लेजर को प्रति सेकंड 1 अरब फ्लैश की मध्यम गति पर चलाया, तो सिस्टम ने अपेक्षित रूप से काम किया। प्रकाश पल्स यादृच्छिक थे, और उनके बीच का समय पिछले फ्लैश से बिना किसी संबंध के था। हालाँकि, जब उन्होंने गति बढ़ाकर 10 अरब फ्लैश प्रति सेकंड कर दी, तो सिस्टम विफल हो गया। पल्स एक-दूसरे को याद करने लगे। एक फ्लैश से आने वाला प्रकाश तब भी मौजूद था जब अगला फ्लैश शुरू हुआ, जिससे नया फ्लैश पुराने के समय की नकल करने लगा। इसने पल्स के बीच एक मजबूत कड़ी बना दी, जिससे यादृच्छिकता नष्ट हो गई जो सुरक्षा के लिए आवश्यक थी। इस उच्च गति पर, लेजर अब स्वतंत्र संकेत उत्पन्न नहीं कर रहा था; यह केवल एक पैटर्न को दोहरा रहा था, जिससे यह सुरक्षित संचार के लिए अनुपयोगी हो गया।
इस समस्या को ठीक करने के लिए, टीम ने एक दूसरा प्रकाश स्रोत पेश किया: एक सुपरल्यूमिनेसेंट डायोड। यह उपकरण लेजर के समान है लेकिन इसे ऐसा प्रकाश उत्सर्जित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है जो उज्ज्वल और दिशात्मक है फिर भी समय में पूरी तरह से यादृच्छिक है, बिल्कुल एक ऐसे बल्ब की तरह जो अधिक चमकदार और केंद्रित होता है। उन्होंने इस यादृच्छिक प्रकाश को मुख्य लेजर के कैविटी (cavity) की ओर निर्देशित किया। इसका प्रभाव तत्काल और नाटकीय था। जैसे ही यादृच्छिक प्रकाश लेजर में प्रवेश कर गया, पल्स के बीच का संबंध गायब हो गया। 10 अरब फ्लैश प्रति सेकंड की गति पर भी, प्रत्येक नया पल्स इंजेक्ट किए गए प्रकाश के अराजक शोर से पैदा हुआ, न कि पिछले के भूत से। शोधकर्ताओं ने आने वाले प्रकाश की तीव्रता को मापा और पाया कि यह 'आर्कसाइन वितरण' (arcsine distribution) नामक एक विशिष्ट सांख्यिकीय पैटर्न का पालन करता है, जो वास्तविक यादृच्छिकता का फिंगरप्रिंट है। बाहरी इंजेक्शन के बिना, पैटर्न सपाट और पूर्वानुमेय था; इंजेक्शन के साथ, पैटर्न वापस उस अराजक आकार में आ गया जो सुरक्षा के लिए आवश्यक है।
टीम ने प्रकाश के रंग स्पेक्ट्रम (color spectrum) को भी देखा ताकि यह समझा जा सके कि लेजर के भीतर क्या हो रहा है। जब लेजर बहुत तेज़ चल रहा था और उसे सहायता नहीं मिल रही थी, तो प्रकाश ने एक कंघी के दांतों की तरह तीक्ष्ण, स्पष्ट रेखाएं दिखाईं। ये रेखाएं संकेत देती थीं कि पल्स पूरी तरह से सिंक्रोनाइज़ थे और एक पैटर्न को दोहरा रहे थे। जब उन्होंने बाहरी यादृच्छिक प्रकाश जोड़ा, तो वे तीक्ष्ण रेखाएं गायब हो गईं। स्पेक्ट्रम एक चिकना, निरंतर वक्र बन गया, जो दर्शाता है कि पल्स अब एक साथ लॉक नहीं थे। बाहरी प्रकाश ने सफलतापूर्वक लेजर के समय को बिखेर दिया, जिससे वह प्रक्रिया तेज हो गई जिसके द्वारा प्रकाश का फेज यादृच्छिक होता है। इसने लेजर को फ्लैश के बीच के समय के अत्यंत कम होने पर भी, प्रत्येक फ्लैश के बीच पूरी तरह से रीसेट होने में सक्षम बनाया।
एक चिंता यह भी थी कि अतिरिक्त प्रकाश जोड़ने से पल्स का समय बहुत अधिक अस्थिर हो सकता है। शोधकर्ताओं ने इस "जिटर" (jitter) को मापा, या पल्स के आगमन में होने वाला मामूली अंतर। उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे उन्होंने इंजेक्ट किए गए प्रकाश की मात्रा बढ़ाई, जिटर भी बढ़ा, जो उच्चतम इंजेक्शन स्तर पर 4.4 पिकोसेकंड से बढ़कर 21.9 पिकोसेकंड हो गया। हालाँकि, उन्होंने निर्धारित किया कि अस्थिरता का यह स्तर स्वीकार्य था। पल्स अभी भी सही ढंग से मापे जाने के लिए पर्याप्त रूप से ओवरलैप हो रहे थे, और यादृच्छिकता सुरक्षित थी। यह समझौता सार्थक था: थोड़ा कम सटीक समय, उस आवश्यक यादृच्छिकता को बहाल करने के लिए एक छोटी कीमत थी जो सिस्टम को सुरक्षित बनाती है। टीम ने गणना की कि यह नया तरीका सैद्धांतिक रूप से प्रति सेकंड 40 बिलियन बिट्स से अधिक की दर से यादृच्छिक संख्याएँ उत्पन्न कर सकता है, जो वर्तमान क्षमताओं से एक बड़ी छलांग है।
यह सफलता क्वांटम प्रौद्योगिकियों के विकास में एक प्रमुख बाधा को संबोधित करती है। वर्तमान में, क्वांटम कुंजी वितरण प्रणालियों की गति इस बात से सीमित है कि लेजर को अपनी यादृच्छिकता खोए बिना कितनी तेज़ी से स्विच किया जा सकता है। इस समस्या को हल करके, शोधकर्ताओं ने बहुत तेज़ संचार नेटवर्क के द्वार खोल दिए हैं। जबकि लेजर खुद अब प्रति सेकंड 10 अरब बार फ्लैश कर सकता है, सिस्टम के बाकी हिस्सों को, विशेष रूप से उन डिटेक्टरों को जो प्रकाश को पकड़ते हैं, इस गति का पूर्ण लाभ उठाने के लिए तालमेल बिठाना होगा। फिर भी, इतनी उच्च दर पर सुरक्षित, यादृच्छिक संकेत उत्पन्न करने की क्षमता एक महत्वपूर्ण कदम है। यह सुझाव देता है कि भविष्य के क्वांटम नेटवर्क आज के हाई-स्पीड इंटरनेट की गति के अनुरूप काम कर सकते हैं, जो अभेद्य संचार के वादे को वास्तविकता के करीब लाता है। यह विधि सरल और सुदृढ़ है, जो गति की सीमाओं को पार करने के लिए प्रकाश के मौलिक भौतिकी पर निर्भर करती है, यह सिद्ध करती है कि कभी-कभी आगे बढ़ने का सबसे अच्छा तरीका थोड़ा नियंत्रित अराजक (controlled chaos) पेश करना होता है।
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