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Generation of Large Coherent-State Superpositions in Free-Space Optical Pulses

यह शोध पत्र मुक्त-स्थान ऑप्टिकल पल्स पर $\alpha=2.47$ के आयाम के साथ बड़े-आयाम वाले स्क्वीज़्ड कोहेरेंट-स्टेट सुपरपोजिशन (स्क्वीज़्ड कैट स्टेट्स) के प्रयोगात्मक उत्पादन की रिपोर्ट करता है, जो फोक स्टेट मिक्सिंग और होमोडाइन हेराल्डिंग से जुड़ी एक प्रक्रिया के माध्यम से एक रिकॉर्ड आकार और 0.53 की फिडेलिटी प्राप्त करता है, जो स्केलेबल फॉल्ट-टोलरेंट फोटोनिक क्वांटम आर्किटेक्चर के लिए एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर है।

मूल लेखक: Lucas Caron, Hector Simon, Hugo Basset, Romaric Journet, Rosa Tualle-Brouri

प्रकाशित 2026-01-15

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Lucas Caron, Hector Simon, Hugo Basset, Romaric Journet, Rosa Tualle-Brouri

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

कल्पना कीजिए कि आप एक ऐसा कंप्यूटर बनाने की कोशिश कर रहे हैं जो बिजली के बजाय प्रकाश (light) का उपयोग करता है। इस कंप्यूटर को दुनिया की सबसे कठिन समस्याओं को हल करने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली बनाने के लिए, इसे एक बहुत ही विशिष्ट, जटिल प्रकार की जानकारी को संभालना होगा। प्रकाश की दुनिया में, यह जानकारी "क्वांटम अवस्थाओं" (quantum states) के रूप में आती है।

ज्यादातर समय, प्रकाश एक सुचारू, अनुमानित तरीके से व्यवहार करता है (जैसे एक शांत झील)। लेकिन एक वास्तव में शक्तिशाली क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को "नॉन-गौसियन" (non-Gaussian) अवस्थाएँ बनाने की आवश्यकता है—इसे ऐसे समझें जैसे प्रकाश की लहरों को जटिल, ऊबड़-खाबड़ आकारों में बदल दिया गया हो, जैसे एक तूफानी समुद्र जिसमें स्पष्ट चोटियाँ और घाटियाँ हों। उन्हें सबसे महत्वपूर्ण आकार में से एक की आवश्यकता है जिसे "कैट स्टेट" (cat state) कहा जाता है।

"कैट" (बिल्ली) का सादृश्य (Analogy)

क्वांटम भौतिकी में, एक "कैट स्टेट" का नाम श्रोडिंगर (Schrödinger) के प्रसिद्ध विचार प्रयोग के नाम पर रखा गया है। यह एक ऐसी अवस्था है जहाँ प्रकाश एक ही समय में दो अलग-अलग स्थितियों में होता है—जैसे एक बिल्ली जो एक साथ जीवित और मृत दोनों है। इस प्रयोग में, वैज्ञानिकों ने एक "सुपरपोजिशन" बनाया जहाँ प्रकाश का एक पल्स एक ही समय में दो स्थानों पर मौजूद है: एक उज्ज्वल पल्स और एक गहरा (dark) पल्स।

लक्ष्य इन "कैट स्टेट्स" को पहले से कहीं अधिक बड़ा और जटिल बनाना है।

चुनौती: बिल्ली को बड़ा बनाना

पहले, वैज्ञानिक इन कैट स्टेट्स को बहुत छोटा (जैसे एक बिल्ली का बच्चा) ही बना सकते थे। यदि आप एक स्केलेबल क्वांटम कंप्यूटर बनाना चाहते हैं, तो आपको एक "बड़ी बिल्ली" (एक बड़े-आयाम वाली अवस्था) की आवश्यकता होती है। बिल्ली जितनी बड़ी होगी, गणनाओं के लिए वह उतनी ही उपयोगी होगी।

फ्रांस के 'इंस्टिट्यूट डी ऑप्टिक' (Institut d'Optique) की टीम ने 2.47 के आयाम वाली एक "कैट स्टेट" बनाने में सफलता प्राप्त की। इसे समझने के लिए, यह फ्री स्पेस (हवा में यात्रा करने वाला प्रकाश, चिप में फंसा हुआ नहीं) में बनाई गई अब तक की सबसे बड़ी "कैट" है। यह एक बिल्ली के बच्चे से सीधे एक वयस्क शेर बनने जैसा है।

उन्होंने यह कैसे किया: "मिक्सिंग बाउल" (मिश्रण पात्र) की रेसिपी

वैज्ञानिकों ने दो मुख्य सामग्रियों वाली एक चतुर रेसिपी का उपयोग किया:

सिंगल फोटोन: प्रकाश के छोटे पैकेट (एक फोटोन)।
डबल फोटोन: दो फोटोन जो आपस में जुड़े हुए हैं।

यहाँ रसोई के सादृश्य का उपयोग करते हुए चरण-दर-चरण प्रक्रिया दी गई है:

सामग्री: उन्होंने एक सिंगल फोटोन और एक टू-फोटोन पैकेट तैयार किया।
मिक्सिंग बाउल (बीम स्प्लिटर): वे इन दोनों पैकेटों को एक विशेष "मिक्सिंग बाउल" (एक ट्यूनेबल बीम स्प्लिटर) में भेजते हैं। यह उपकरण एक जादुई मोड़ की तरह है जो प्रकाश के रास्तों को विभाजित और मिश्रित करता है। बाउल को बिल्कुल सही तरीके से समायोजित करके, वे सिंगल फोटोन और टू-फोटोन पैकेट को एक सटीक तरीके से मिला सकते थे।
"हेराल्ड" (घंटी): यह सबसे महत्वपूर्ण हिस्सा है। उन्होंने केवल मिश्रण नहीं किया और उम्मीद नहीं की। उन्होंने मिक्सिंग बाउल के एक तरफ एक डिटेक्टर लगाया। जब इस डिटेक्टर ने "घंटी बजाई" (एक विशिष्ट संकेत का पता लगाया), तो इसने उन्हें बताया: "सफलता! मिश्रण दूसरी तरफ पूरी तरह से काम कर गया है।"
- इसे हेराल्डिंग (Heralding) कहा जाता है। यह केक बेक करने और एक सेंसर द्वारा यह बताने जैसा है कि, "केक तैयार है," ताकि आप जान सकें कि रसोई के दूसरी ओर खाने के लिए एकदम सही केक तैयार है।
क्वांटम मेमोरी (फ्रीजर): क्योंकि "घंटी" बजने में एक सेकंड का बहुत छोटा हिस्सा लगता है, और मिश्रण अविश्वसनीय रूप से तेज़ होता है, इसलिए उन्हें परिणाम को पकड़ना और रोकना पड़ा। उन्होंने प्रकाश के पल्स को थोड़े समय (लगभग 200 नैनोसेकंड) के लिए स्टोर करने के लिए एक "क्वांटम मेमोरी कैविटी" (दर्पणों वाला एक कमरा जहाँ प्रकाश बार-बार टकराता है) का उपयोग किया।

परिणाम: एक तूफानी समुद्र

जब उन्होंने अंततः अपने द्वारा बनाए गए प्रकाश को देखा, तो उन्होंने इसके आकार को देखने के लिए एक विशेष इमेजिंग तकनीक (जिसे विग्नर फंक्शन कहा जाता है) का उपयोग किया।

लक्ष्य: वे प्रकाश के आकार में तीन स्पष्ट "नेगेटिव" घाटियों को देखना चाहते थे। क्वांटम भौतिकी में, इन नेगेटिव घाटियों को देखना इस बात का प्रमाण है कि प्रकाश वास्तव में एक क्वांटम, नॉन-क्लासिकल तरीके से व्यवहार कर रहा है।
परिणाम: उनकी "बड़ी बिल्ली" ने तीन स्पष्ट, अच्छी तरह से परिभाषित नकारात्मक क्षेत्र दिखाए। इसने पुष्टि की कि उन्होंने सफलतापूर्वक एक बड़ी, जटिल क्वांटम अवस्था बना ली है।

उन्होंने 0.53 की "फिडेलिटी" (यह मापने का तरीका कि उनका परिणाम आदर्श सैद्धांतिक लक्ष्य के कितने करीब है) हासिल की। हालांकि यह एक टेस्ट स्कोर की तरह लग सकता है, लेकिन इन जटिल अवस्थाओं को बनाने की दुनिया में, यह एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर है, जो साबित करता है कि यह विधि काम करती है।

यह क्यों महत्वपूर्ण है (पेपर के अनुसार)

पेपर बताता है कि यह उपलब्धि GKP स्टेट्स (गोटेसमैन-किटाएव-प्रेसिल) नामक एक विशिष्ट प्रकार के क्वांटम कंप्यूटिंग आर्किटेक्चर की दिशा में एक बड़ा कदम है।

GKP स्टेट्स को प्रकाश-आधारित कंप्यूटरों के लिए "एरर-करेक्टिंग कोड" (त्रुटि सुधारने वाला कोड) के रूप में समझें। यह वह सुरक्षा जाल है जो कंप्यूटर को गलतियों को स्वचालित रूप से ठीक करने की अनुमति देता है।
इन बड़ी "कैट स्टेट्स" को बनाकर और यह दिखाकर कि उन्हें कैसे मिश्रित और स्टोर किया जा सकता है, टीम ने उन आवश्यक निर्माण खंडों (building blocks) का प्रदर्शन किया है जो अंततः इन एरर-करेक्टिंग कोड्स को बनाने के लिए आवश्यक हैं।

सारांश

सरल शब्दों में, इन वैज्ञानिकों ने एक ऐसी मशीन बनाई है जो प्रकाश के छोटे टुकड़ों को लेती है, उन्हें एक सटीक तरीके से मिलाती है, और एक "घंटी" का उपयोग करती है जो यह संकेत देती है कि उन्होंने सफलतापूर्वक एक विशाल, जटिल क्वांटम आकार बना लिया है। यह आकार पहले से बने किसी भी आकार से बड़ा है और बिल्कुल उसी "तूफानी समुद्र" के पैटर्न जैसा दिखता है जो अगली पीढ़ी के फॉल्ट-टोलरेंट क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए आवश्यक है। उन्होंने केवल एक छोटी लहर नहीं बनाई; उन्होंने एक लहर पैदा की है।

तकनीकी सारांश: मुक्त-स्थान ऑप्टिकल पल्स में बड़े कोहेरेंट-स्टेट सुपरपोजिशन का उत्पादन

समस्या और संदर्भ
गैर-गॉसियन क्वांटम अवस्थाओं का उत्पादन निरंतर-चर (CV) क्वांटम सूचना प्रसंस्करण के लिए एक मौलिक आवश्यकता है। जबकि फोटोनिक प्लेटफॉर्म कमरे के तापमान पर संचालन और मॉड्यूलरिटी जैसे लाभ प्रदान करते हैं, दोष-सहिष्णु (fault-tolerant) क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए उनकी पूर्ण क्षमता को अनलॉक करने हेतु गोट्समैन-किटाएव-प्रिस्किल (GKP) अवस्थाओं में क्यूबिट्स को एनकोड करना आवश्यक है। ये अवस्थाएं केवल गॉसियन ऑपरेशन्स का उपयोग करके सार्वभौमिक गणना को सक्षम बनाती हैं। हालांकि हाल ही में ऑन-चिप उत्पादन और मुक्त-स्थान में बढ़ती जटिल गैर-गॉसियन अवस्थाओं (जैसे स्क्वीज्ड कैट स्टेट्स) के उत्पादन में प्रगति हुई है, लेकिन मुक्त-स्थान ऑप्टिकल पल्स में कोहेरेंट-स्टेट सुपरपोजिशन (CSS) के आयाम (amplitude) में एक महत्वपूर्ण अंतर बना हुआ था। पिछले मुक्त-स्थान प्रयोगों ने $\alpha \approx 1.9$ के आयाम से अधिक का प्रदर्शन नहीं किया था।

कार्यप्रणाली
लेखक मुक्त-स्थान ऑप्टिकल पल्स का उपयोग करके बड़े-आयाम वाले स्क्वीज्ड कोहेरेंट-स्टेट सुपरपोजिशन (SCSS), जिन्हें स्क्वीज्ड कैट स्टेट्स भी कहा जाता है, उत्पन्न करने के लिए एक प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल की रिपोर्ट करते हैं। प्रोटोकॉल का मुख्य भाग एक ट्यूनेबल बीम स्प्लिटर पर फोक अवस्थाओं $|1\rangle$ और $|2\rangle$ के नियंत्रित मिश्रण को शामिल करता है, जिसके बाद होमोडाइन डिटेक्शन के माध्यम से हेराल्डिंग (heralding) की जाती है।

प्रायोगिक सेटअप एक मोड-लॉक्ड Ti:Sapphire लेजर (855 nm, 76 MHz) का उपयोग करता है जो दो-चरणीय गैररेखीय प्रक्रिया को संचालित करता है:

संसाधन उत्पादन (Resource Generation): एक नीला पंप बीम (425 nm) एक ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर (OPA) को संचालित करता है ताकि एक टू-मोड स्क्वीज्ड वैक्यूम (TMSV) अवस्था उत्पन्न की जा सके।
हेराल्डिंग (Heralding): TMSV के एक मोड को फिल्टर किया जाता है और एवलांच फोटोडायोड (APD) द्वारा डिटेक्ट किया जाता है। एक सिंगल क्लिक एक सिंगल-फोटॉन फोक अवस्था ( $|1\rangle$ ) को हेराल्ड करता है, जबकि समवर्ती (simultaneous) क्लिक एक टू-फोटॉन फोक अवस्था ( $|2\rangle$ ) को हेराल्ड करते हैं।
क्वांटम मेमोरी कैविटी (QMC): TMSV के दूसरे मोड को एक लो-लॉस ऑप्टिकल कैविटी में निर्देशित किया जाता है। एक हेराल्डेड सिंगल-फोटॉन अवस्था को QMC में तब तक संग्रहीत किया जाता है जब तक कि सिस्टम टू-फोटॉन अवस्था की हेराल्डिंग की प्रतीक्षा कर रहा होता है।
नियंत्रित मिश्रण (Controlled Mixing): संग्रहीत $|1\rangle$ और आने वाले $|2\rangle$ (जो ऑर्थोगोनल पोलराइजेशन ले जाते हैं) को एक पोकेल्स सेल (PC) और एक पोलराइजिंग बीम स्प्लिटर (PBS) का उपयोग करके मिलाया जाता है। यह असेंबली एक ट्यूनेबल बीम स्प्लिटर के रूप में कार्य करती है जिसकी रिफ्लेक्टिविटी $R$ , PC-प्रेरित रिटार्डेंस $\delta$ द्वारा नियंत्रित होती है।
हेराल्डिंग मेजरमेंट: एक होमोडाइन डिटेक्टर (76% दक्षता) एक आउटपुट पोर्ट पर माप करता है। अवस्था को $X=0$ (जहाँ $\hat{X} = (\hat{a} + \hat{a}^\dagger)/\sqrt{2}$ ) के मापन परिणाम के आधार पर पोस्ट-सेलेक्ट किया जाता है।

होमोडाइन डिटेक्टर की बैंडविड्थ सीमाओं (2 MHz) को लेजर रिपिटिशन रेट (76 MHz) के सापेक्ष समायोजित करने के लिए, उत्पन्न अवस्था को निष्कर्षण और लक्षण वर्णन से पहले लगभग 195 ns (15 राउंड ट्रिप्स) के लिए QMC में संग्रहीत किया जाता है। 16,339 क्वाड्रचर मेजरमेंट्स के डेटासेट पर मैक्सिमम-लाइक्लीहुड एल्गोरिदम का उपयोग करके क्वांटम स्टेट टोमोग्राफी (QST) की जाती है।

प्रमुख योगदान और परिणाम
इस कार्य का प्राथमिक योगदान $\alpha = 2.47$ के आयाम वाले मुक्त-स्थान ऑप्टिकल कोहेरेंट-स्टेट सुपरपोजिशन का प्रयोगात्मक उत्पादन है, जिसे लेखक बताते हैं कि यह सभी पूर्व-रिपोर्ट किए गए मुक्त-स्थान सिस्टम के मानों से अधिक है।

अवस्था लक्षण वर्णन (State Characterization): उत्पन्न अवस्था का पुनर्निर्मित विग्नर फंक्शन (Wigner function) तीन स्पष्ट नकारात्मक क्षेत्रों को प्रदर्शित करता है, जो मजबूत गैर-गॉसियनिटी का संकेत है।
फिडेलिटी (Fidelity): प्रयोगात्मक रूप से उत्पन्न अवस्था लक्षित स्क्वीज्ड कैट स्टेट $\hat{S}(z)(|\alpha\rangle - |-\alpha\rangle)$ , जहाँ $\alpha = 2.47$ और स्क्वीजिंग पैरामीटर $z = 0.56$ (4.82 dB की स्क्वीजिंग के अनुरूप) है, के साथ $F = 0.53^{+0.01}_{-0.06}$ की फिडेलिटी प्राप्त करती है।
अनुकूलन (Optimization): सैद्धांतिक मॉडलिंग ने संकेत दिया कि वास्तविक हानि स्थितियों के तहत फिडेलिटी को अधिकतम करने के लिए इष्टतम बीम स्प्लिटर रिफ्लेक्टिविटी $R \approx 0.72$ है। प्रयोग में इस स्थिति को प्राप्त करने के लिए $\delta \approx 2.03$ rad के PC रिटार्डेंस का उपयोग किया गया था।
जेनरेशन रेट: उच्च-आयाम वाले ऑड कैट (odd cat) अवस्था के लिए जेनरेशन रेट लगभग 3.1 Hz है। लेखक नोट करते हैं कि पहले फोटॉन के स्टोरेज समय को बढ़ाने से (जैसे 4.25 Hz तक) स्टोरेज लॉस के कारण कम फिडेलिटी की कीमत पर उच्च दर प्राप्त की जा सकती है।
इवन कैट अवस्थाएं (Even Cat States): प्रोटोकॉल टू-फोटॉन अवस्था के बजाय सिंगल-फोटॉन अवस्था को हेराल्ड करके इवन कैट अवस्थाएं भी उत्पन्न करता है, जो $\alpha = 1.71$ की एक इवन कैट अवस्था के साथ $\sim 0.58$ की फिडेलिटी और $\sim 1$ kHz की दर प्राप्त करता है।

महत्व
लेखक इस परिणाम को "टेम्पोरल ब्रीडिंग प्रोटोकॉल" के लिए एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर मानते हैं। टेम्पोरल मल्टीप्लेक्सिंग क्षमताओं के साथ मुक्त-स्थान आर्किटेक्चर में बड़े-आयाम वाले SCSS के उत्पादन को प्रदर्शित करके, यह कार्य ऑप्टिकल GKP अवस्थाओं के पुनरावृत्त (iterative) उत्पादन के लिए आधार तैयार करता है। दो-चरणीय बड़े-SCSS ब्रीडिंग प्रोटोकॉल के लिए आवश्यक घटकों के सफल कार्यान्वयन को उन्नत क्वांटम सूचना प्रसंस्करण के लिए आवश्यक उच्च-जटिलता वाली गैर-गॉसियन अवस्थाओं को उत्पन्न करने की दिशा में एक कदम के रूप में प्रस्तुत किया गया है। पेपर यह निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि तकनीकी सुधार (जैसे APDs को सुपरकंडक्टिंग नैनोवायर सिंगल-फोटॉन डिटेक्टरों से बदलना और रियल-टाइम विश्लेषण लागू करना) प्रदर्शन को और बढ़ा सकते हैं, वर्तमान प्रदर्शन उन्नत क्वांटम सूचना प्रसंस्करण के लिए आवश्यक उच्च-जटिलता वाली गैर-गॉसियन अवस्थाओं को उत्पन्न करने की व्यवहार्यता को प्रमाणित करता है।