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Quantum squeezing in an all-resonant periodically poled lithium niobate microresonator

यह शोध पत्र एक थिन-फिल्म लिथियम नियोबेट चिप पर पहले पूर्णतः अनुनादी (fully resonant), क्वासी-फेज-मैच्ड $\chi^{(2)}$ कैविटी स्क्वीज़र का प्रदर्शन करता है, जो उच्च एस्केप दक्षता और ब्रॉडबैंड स्पेक्ट्रल कवरेज के साथ -7.52 dB के रिकॉर्ड उच्च ऑन-चिप स्क्वीजिंग स्तर को प्राप्त करता है, जिससे शक्ति-कुशल क्वांटम-उन्नत संवेदन और मेट्रोलॉजी के लिए एक स्केलेबल मार्ग स्थापित होता है।

मूल लेखक: Xinyi Ren, Reshma Kopparapu, Tushar Sanjay Karnik, Chun-Ho Lee, Kiwon Kwon, Clayton Cheung, Yue Yu, Shi-Yuan Ma, Bo-Han Wu, Ran Yin, Lian Zhou, Quntao Zhuang, Dirk Englund, Zaijun Chen, Mengjie Yu

प्रकाशित 2026-02-27

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Xinyi Ren, Reshma Kopparapu, Tushar Sanjay Karnik, Chun-Ho Lee, Kiwon Kwon, Clayton Cheung, Yue Yu, Shi-Yuan Ma, Bo-Han Wu, Ran Yin, Lian Zhou, Quntao Zhuang, Dirk Englund, Zaijun Chen, Mengjie Yu

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

एक बड़ी तस्वीर: प्रकाश के "स्थिर शोर" (Static) को वश में करना

कल्पना कीजिए कि आप एक भीड़भाड़ वाले, शोर वाले कमरे में एक बहुत ही धीमी फुसफुसाहट सुनने की कोशिश कर रहे हैं। बैकग्राउंड का शोर (चैटर) उस फुसफुसाहट को स्पष्ट रूप से सुनने में असंभव बना देता है। प्रकाश की दुनिया में, इस "चैटर" को क्वांटम शोर (quantum noise) या "शॉट शोर (shot noise)" कहा जाता है। एक आदर्श निर्वात (vacuum) में भी, प्रकाश पूरी तरह से सुचारू नहीं होता; यह एक हिलाए हुए सोडा कैन की तरह थरथराता है। यह थरथराहट यह सीमित करती है कि हम चीजों को कितनी सटीकता से माप सकते हैं, जैसे कि गुरुत्वाकर्षण तरंगों का पता लगाना या सुरक्षित इंटरनेट संचार।

"स्क्वीज्ड लाइट" (Squeezed light) प्रकाश की एक विशेष अवस्था है जहाँ वैज्ञानिकों ने उस थरथराहट को "दबाने" (squeeze करने) में सफलता प्राप्त की है। एक गुब्बारे की कल्पना करें। यदि आप गुब्बारे के एक तरफ को दबाते हैं (एक माप में शोर को कम करते हैं), तो दूसरी तरफ वह फूल जाता है (दूसरे माप में शोर बढ़ जाता है)। इसे सावधानी से नियंत्रित करके, वैज्ञानिक उस विशिष्ट दिशा में "शोर" को गायब कर सकते हैं जिसकी उन्हें परवाह है, जिससे सुपर-सेंसिटिव माप संभव हो पाते हैं।

समस्या: पुराने तरीके बोझिल थे

लंबे समय तक, इस स्क्वीज्ड लाइट को बनाने के लिए दर्पणों और लेजरों के साथ विशाल, कमरे के आकार के उपकरणों की आवश्यकता होती थी। यह भारी, महंगा और स्थिर रखने में कठिन था।

बाद में, वैज्ञानिकों ने इसे कंप्यूटर चिप्स (इंटीग्रेटेड फोटोनिक्स) पर छोटा करने की कोशिश की। हालाँकि, उनके द्वारा उपयोग की जाने वाली चिप्स (मुख्य रूप से सिलिकॉन से बनी) में एक बड़ी खामी थी: वे एक पहाड़ी पर पत्थर धकेलने की कोशिश करने जैसी थीं। पर्याप्त "स्क्वीज़" प्राप्त करने के लिए, उन्हें भारी मात्रा में शक्ति की आवश्यकता थी, जिससे गर्मी और अधिक शोर पैदा होता था, जो प्रभाव को ही खराब कर देता था। यह एक समझौता था: उच्च शक्ति = उच्च शोर।

समाधान: "जादुई" लिथियम नायोबेट चिप

यह शोध पत्र एक बड़ी सफलता पेश करता है: थिन-फिल्म लिथियम नायोबेट (TFLN) से बनी एक छोटी, उच्च-प्रदर्शन वाली चिप। इस सामग्री को प्रकाश के लिए एक "सुपर-हाईवे" के रूप में समझें जहाँ प्रकाश सिलिकॉन की तुलना में स्वयं के साथ बहुत अधिक मजबूती से इंटरैक्ट करता है।

यहाँ बताया गया है कि उन्होंने इसे कैसे काम करने के योग्य बनाया, कुछ प्रमुख उपमाओं (analogies) का उपयोग करते हुए:

1. "डबल-रेजोनेंस" झूला

एक बच्चे की कल्पना करें जो झूले पर है। उसे ऊँचा ले जाने के लिए, आपको उसे बिल्कुल सही समय पर धक्का देना होगा (सही फ्रीक्वेंसी पर)।

पुराना तरीका: आप झूले को धक्का देते हैं (पंप लेजर), लेकिन झूला ठीक से रेजोनेंट नहीं होता, इसलिए आपको बहुत ज़ोर से धक्का देना पड़ता है।
यह नया तरीका: वैज्ञानिकों ने एक "डबल-स्विंग" सिस्टम बनाया। उन्होंने चिप को इस तरह ट्यून किया कि दोनों धक्का देने वाली शक्ति (793.5 nm पर पंप लेजर) और परिणामी गति (1587 nm पर स्क्वीज्ड लाइट) झूले के साथ पूरी तरह से तालमेल (sync) में हों।
परिणाम: क्योंकि दोनों पूरी तरह से रेजोनेंट हैं, उन्हें जबरदस्त दक्षता (efficiency) मिलती है। वे बहुत कम शक्ति (केवल 27 मिलीवाट—लगभग एक छोटे LED फ्लैशलाइट की शक्ति) के साथ स्क्वीज्ड लाइट उत्पन्न कर सकते हैं।

2. "सुपर-एग्जिट" दरवाजा

आमतौर पर, जब आप एक छोटी चिप के अंदर प्रकाश उत्पन्न करते हैं, तो वह अंदर फंस जाता है या इधर-उधर टकराता रहता है, और मापने के लिए बाहर निकलने से पहले ही खो जाता है।

नवाचार: टीम ने चिप को इस तरह इंजीनियर किया कि स्क्वीज्ड लाइट के लिए एक "चौड़ा खुला दरवाजा" हो, जबकि पंप लेजर के लिए दरवाजा बंद रहे ताकि वह अंदर रहकर धक्का देता रहे।
उपमा: एक ऐसे कमरे की कल्पना करें जहाँ हवा (प्रकाश) को अंदर पंप किया जा रहा है, लेकिन निकास एक विशाल स्लाइडिंग दरवाजा है जो उपयोगी हवा के 91.5% हिस्से को तुरंत बाहर जाने देता है, जबकि पंप अंदर फंसा रहता है ताकि वह काम करता रहे। इसे उच्च एस्केप एफिशिएंसी (high escape efficiency) कहा जाता है।

3. "पीरियडिकली पोल्ड" पैटर्न

प्रकाश को सही ढंग से इंटरैक्ट करने के लिए, सामग्री को एक विशिष्ट आंतरिक पैटर्न की आवश्यकता होती है, जैसे कि एक जिपर।

चुनौती: एक अनाज के दाने पर एक आदर्श जिपर बनाने की कोशिश करना चावल के दाने पर एक सटीक ज़िपर सिलने जैसा है। यदि दांत संरेखित (aligned) नहीं हैं, तो प्रकाश बिखर जाएगा और खो जाएगा।
सफलता: उन्होंने एक "लगभग पूर्ण" पैटर्न (डोमेन इनवर्जन) प्राप्त किया जो लगभग पूरी चिप की लंबाई को कवर करता है। यह सुनिश्चित करता है कि प्रकाश केंद्रित रहे और बिखरे नहीं।

परिणाम: उन्होंने क्या हासिल किया?

इन तकनीकों को जोड़कर, टीम ने कई "प्रथम" (firsts) प्राप्त किए:

कम शक्ति: उन्होंने केवल 27 mW की शक्ति का उपयोग करके प्रकाश को स्क्वीज किया। पिछली चिप-आधारित विधियों को सैकड़ों मिलीवाट की आवश्यकता थी।
उच्च गुणवत्ता: उन्होंने सीधे तौर पर -0.81 dB का "स्क्वीजिंग" स्तर मापा। जब उन्होंने चिप के बाहर के केबलों और डिटेक्टर्स में होने वाले नुकसान (losses) के लिए गणना की, तो उन्होंने अनुमान लगाया कि चिप स्वयं -7.52 dB तक प्रकाश को स्क्वीज कर रही है। यह शोर में कमी की एक विशाल मात्रा है।
ब्रॉडबैंड: स्क्वीज्ड लाइट केवल एक रंग नहीं है; यह रंगों का एक विस्तृत इंद्रधनुष है (10.3 THz की बैंडविड्थ)। यह एक पूरी ऑर्केस्ट्रा की तरह है जो केवल एक एकल वायलिन के बजाय पूर्ण सामंजस्य में बज रहा है।

यह क्यों मायने रखता है?

इस चिप को क्वांटम सेंसर के लिए "आईफोन मोमेंट" के रूप में समझें।

पहले: क्वांटम सेंसर मेनफ्रेम कंप्यूटरों की तरह थे—विशाल, महंगे, और केवल कुछ लैब में उपलब्ध थे।
अब: यह चिप छोटी (0.6 mm²), ऊर्जा-कुशल और स्केलेबल है।

यह तकनीक निम्नलिखित के मार्ग को प्रशस्त करती है:

बेहतर GPS और सेंसर: गुरुत्वाकर्षण या चुंबकीय क्षेत्रों में सूक्ष्म परिवर्तनों का पता लगाना।
सुरक्षित संचार: अनहैकेबल (unhackable) इंटरनेट कनेक्शन।
मेडिकल इमेजिंग: जैविक संरचनाओं को बहुत अधिक स्पष्टता के साथ देखना।

संक्षेप में, शोधकर्ताओं ने एक जटिल, कमरे के आकार के भौतिक विज्ञान के प्रयोग को एक चिप पर एक छोटे से कण में सिकोड़ दिया है, जिससे यह शक्तिशाली, कुशल और बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए तैयार हो गया है। उन्होंने एक "बौल्डर" (भारी पत्थर) को एक "मार्बल" (कंचा) में बदल दिया है जो पूरी तरह से लुढ़कता है।

यहाँ "क्वांटम स्क्वीज़िंग इन एन ऑल-रेजोनेंट पेरियोडिकली पोल्ड लिथियम नायोबेट माइक्रोरेज़ोनेटर" (Quantum squeezing in an all-resonant periodically poled lithium niobate microresonator) शोध पत्र का विस्तृत तकनीकी सारांश दिया गया है।

1. समस्या विवरण (Problem Statement)

क्वांटम शोर (Quantum noise) ऑप्टिकल मापन की संवेदनशीलता को मौलिक रूप से सीमित करता है। प्रकाश की स्क्वीज़्ड अवस्थाएँ (Squeezed states), जो एक फील्ड क्वाड्रचर में शॉट-नॉइज़ लिमिट से नीचे क्वांटम शोर को कम करती हैं, क्वांटम-एन्हांस्ड मेट्रोलॉजी, सेंसिंग और कंप्यूटिंग के लिए आवश्यक हैं। हालाँकि, फोटोनिक चिप्स पर इन अवस्थाओं को उत्पन्न करने में महत्वपूर्ण चुनौतियाँ हैं:

केर ( $\chi^{(3)}$ ) प्लेटफॉर्म: हालांकि इनका व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, लेकिन ये अंतर्निहित सीमाओं से ग्रस्त हैं। मजबूत स्क्वीज़िंग प्राप्त करने के लिए उच्च पंप पावर या अत्यधिक कैविटी क्वालिटी फैक्टर्स ( $Q$ ) की आवश्यकता होती है, जो अतिरिक्त शोर (जैसे, थर्मो-रिफ्रेक्टिव फ्लक्चुएशन, रमन स्कैटरिंग) और पैरासिटिक नॉनलीन प्रक्रियाओं को जन्म देते हैं। इसके अलावा, $\chi^{(3)}$ सिस्टम में पंप और स्क्वीज़्ड फील्ड की स्पेक्ट्रल निकटता, एस्केप एफिशिएंसी और पंप पावर के बीच एक ट्रेड-ऑफ पैदा करती है, जिसके लिए अक्सर उच्च-एक्सट्रैक्शन-रेशियो फ़िल्टरिंग की आवश्यकता होती है जो दृश्य स्क्वीज़िंग को कम कर देती है।
क्वाड्रेटिक ( $\chi^{(2)}$ ) प्लेटफॉर्म: ये मजबूत पैरामीट्रिक इंटरैक्शन और कम पंप पावर आवश्यकताओं की पेशकश करते हैं। हालाँकि, पिछले एकीकृत $\chi^{(2)}$ कार्यान्वयन (आमतौर पर थिन-फिल्म लिथियम नायोबेट, TFLN में) गैर-अनुनादी वेवगाइड्स पर निर्भर थे जिनमें उच्च शक्ति और बड़े फुटप्रिंट की आवश्यकता होती थी, या ऐसे अनुनादी उपकरण जिनका प्रदर्शन उप-इष्टतम (लो एस्केप एफिशिएंसी, लो $Q$ फैक्टर्स, या सिंगल-रेजोनेंस कॉन्फ़िगरेशन) था, जो नॉनलीन इंटरैक्शन को अधिकतम करने में विफल रहे।

मुख्य चुनौती: एक कॉम्पैक्ट, स्केलेबल, ऑन-चिप $\chi^{(2)}$ स्क्वीज़र बनाना जो ऑल-रेजोनेंट स्थितियों (पंप और सिग्नल/इडलर दोनों), उच्च अंतर्निहित क्वालिटी फैक्टर्स, नियर-फुल-डेप्थ डोमेन इनवर्जन, और उच्च एस्केप एफिशिएंसी को एक साथ प्राप्त कर सके ताकि कम-पावर, ब्रॉडबैंड स्क्वीज़िंग सक्षम हो सके।

2. कार्यप्रणाली (Methodology)

लेखकों ने एक थिन-फिल्म लिथियम नायोबेट (TFLN) फोटोनिक चिप पर एक डुअल-रेजोनेंट ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर (OPA) विकसित किया।

डिवाइस आर्किटेक्चर:
- सामग्री: 600-nm-मोटी X-कट TFLN वेफर।
- संरचना: एक सिंगल रेसट्रैक माइक्रोरेज़ोनेटर जिसका पथ लंबाई 3177 $\mu$ m है (फ्री स्पेक्ट्रल रेंज $\approx$ 42.2 GHz)।
- नॉनलिनिटी: क्वैसी-फेज मैचिंग (QPM) को सक्षम करने के लिए रेसट्रैक के एक सीधे हाथ (arm) पर एक पेरियोडिकली पोल्ड लिथियम नायोबेट (PPLN) सेक्शन (0.9 mm लंबा) है।
- रेजोनेंस डिज़ाइन: कैविटी को सेकंड हार्मोनिक (SH) पंप वेवलेंथ ( $\approx$ 793.5 nm) और फंडामेंटल हार्मोनिक (FH) स्क्वीज़्ड लाइट वेवलेंथ ( $\approx$ 1587 nm) दोनों पर अनुनादी (resonant) होने के लिए इंजीनियर किया गया है।
- कपलिंग: FH (स्क्वीज़्ड) मोड के लिए एक्सट्रीम ओवर-कपलिंग प्राप्त करने के लिए एक ऑप्टिकल "पली" (pulley) कपलर डिज़ाइन का उपयोग किया गया, जबकि SH (पंप) मोड के लिए इष्टतम कपलिंग बनाए रखी गई। यह उत्पन्न स्क्वीज़्ड लाइट की एस्केप एफिशिएंसी को अधिकतम करता है।
फैब्रिकेशन और पोलिंग:
- पोलिंग: 4.742 $\mu$ m के पीरियड के साथ इलेक्ट्रिक-फील्ड-असिस्टेड पेरियोडिक पोलिंग।
- क्वालिटी कंट्रोल: प्रक्रिया ने $\approx$ 0.54 के पोलिंग ड्यूटी साइकिल और उच्च तीव्रता कंट्रास्ट के साथ नियर-फुल-डेप्थ डोमेन इनवर्जन प्राप्त किया, जिसे टू-फोटॉन माइक्रोस्कोपी द्वारा सत्यापित किया गया।
- ऑप्टिमाइजेशन: डिवाइस में पैरासिटिक एतलों प्रभाव (etalon effects) को दबाने के लिए चिप फेसलेट्स पर अनुकूलित एंटी-रिफ्लेक्शन कोटिंग्स हैं।
प्रायोगिक सेटअप:
- संचालन: कंटीन्यूअस-वेव (CW) रिजीम।
- पंप: SH रेजोनेंस में इंजेक्ट किया गया 793.5 nm लेजर।
- डिटेक्शन: क्वाड्रचर नॉइज़ को मापने के लिए एक स्ट्रॉन्ग लोकल ऑसिलेटर (LO) और एक बैलेंस्ड फोटोडिटेक्टर (96% क्वांटम एफिशिएंसी) के साथ बैलेंस्ड होमोडाइन डिटेक्शन।

3. मुख्य योगदान (Key Contributions)

प्रथम ऑल-रेजोनेंट $\chi^{(2)}$ कैविटी स्क्वीज़र: यह पहले पूर्णतः अनुनादी, क्वैसी-फेज-मैच्ड $\chi^{(2)}$ कैविटी स्क्वीज़र का प्रदर्शन है, जहाँ पंप और स्क्वीज़्ड दोनों मोड अनुनादी रूप से एन्हांस्ड हैं।
रिकॉर्ड-ब्रेकिंग परफॉरमेंस मेट्रिक्स:
- इंट्रिन्सिक क्वालिटी फैक्टर ( $Q_i$ ): FH मोड के लिए $Q_i > 2.5$ मिलियन प्राप्त किया गया (PPLN कैविटीज़ के लिए उच्चतम रिपोर्ट किया गया)।
- एस्केप एफिशिएंसी: स्क्वीज़्ड मोड के लिए इसे 90% से अधिक (विशेष रूप से 91.5%) करने के लिए इंजीनियर किया गया, जो नॉन-क्लासिकल लाइट निकालने के लिए एक महत्वपूर्ण कारक है।
- पोलिंग फिडेलिटी: 50% के करीब ड्यूटी साइकिल के साथ नियर-फुल-डेप्थ डोमेन इनवर्जन, जो उच्च नॉनलीन एफिशिएंसी को सक्षम बनाता है।
स्केलेबल आर्किटेक्चर: डिवाइस 27 mW के कम पंप पावर और 0.6 $\text{mm}^2$ के कॉम्पैक्ट फुटप्रिंट के साथ काम करता है, जो पिछले एकीकृत स्क्वीज़र्स में देखे गए बैंडविड्थ, स्क्वीज़िंग रेश्यो और पावर कंजम्प्शन के बीच के ट्रेड-ऑफ को दूर करता है।

4. मुख्य परिणाम (Key Results)

स्क्वीज़िंग लेवल्स:
- मापा गया (ऑफ-चिप): 27 mW पंप पावर पर $-0.81 \pm 0.04$ dB की स्क्वीज़िंग और $+4.29 \pm 0.10$ dB की एंटी-स्क्वीज़िंग।
- अनुमानित (ऑन-चिप): कपलिंग लॉस, फेस ट्रांसमिशन और डिटेक्शन एफिशिएंसी को ध्यान में रखते हुए, ऑन-चिप स्क्वीज़िंग $-7.52 \pm 0.22$ dB (95% कॉन्फिडेंस इंटरवल: $[-7.96, -7.10]$ dB) अनुमानित है, और ऑन-चिप एंटी-स्क्वीज़िंग $+9.62 \pm 0.25$ dB है।
बैंडविड्थ:
- उत्पन्न स्क्वीज़्ड लाइट एक ब्रॉडबैंड स्पेक्ट्रम प्रदर्शित करती है जिसका 3-dB बैंडविड्थ 10.3 THz से अधिक है।
- यह 244 सह-संबंधित सिग्नल-इडलर मोड पेयर्स और डिजेनरेसी पर 320 pW की स्क्वीज़्ड-लाइट पावर के बराबर है।
नॉनलीन एफिशिएंसी:
- सेकंड-हारमोनिक जनरेशन (SHG) एफिशिएंसी को 2516 %/W/cm $^2$ पर कैलिब्रेट किया गया, जो अनुमानित पोलिंग ड्यूटी साइकिल के आधार पर सैद्धांतिक भविष्यवाणियों से मेल खाता है।
- नॉर्मलाइज्ड ऑन-चिप कन्वर्जन एफिशिएंसी $30,157 \times 10^{-4}$ %/W तक पहुँची।
तुलना: डिवाइस इंटीग्रेटेड $\chi^{(2)}$ कैविटी प्लेटफॉर्म्स के बीच उच्चतम स्क्वीज़िंग रेशियो प्राप्त करता है और स्टेट-ऑफ-द-आर्ट $\chi^{(3)}$ इंटीग्रेटेड स्क्वीज़र्स की तुलना में काफी कम पंप पावर पर काम करता है।

5. महत्व (Significance)

यह कार्य पूर्णतः एकीकृत, पावर-एफिशिएंट स्क्वीज़्ड-लाइट सोर्सेज के लिए एक स्केलेबल मार्ग स्थापित करता है।

क्वांटम सेंसिंग और मेट्रोलॉजी: कम पावर और छोटे फुटप्रिंट पर हाई-फिडेलिटी स्क्वीज़िंग को सक्षम करके, यह प्लेटफॉर्म व्यावहारिक, चिप-स्केल नेटवर्क में क्वांटम-एन्हांस्ड सेंसर (जैसे, ग्रेविटेशनल वेव डिटेक्शन, बायोसेन्सिंग) को तैनात करने के लिए आदर्श है।
सीमाओं को पार करना: डुअल-रेजोनेंट, ओवर-कपल्ड डिज़ाइन सिंगल-पास वेवगाइड्स और $\chi^{(3)}$ रेज़ोनेटरों में पाए जाने वाले पारंपरिक स्क्वीज़िंग रेश्यो और बैंडविड्थ के बीच के ट्रेड-ऑफ को तोड़ता है।
भविष्य के अनुप्रयोग: यह प्लेटफॉर्म न केवल स्क्वीज़िंग बल्कि लो-नॉइज़ पैरामीट्रिक एम्प्लीफिकेशन, क्वांटम फ्रीक्वेंसी कॉम्ब्स और हाई-ब्राइटनेस स्पोंटेनियस पैरामीट्रिक डाउन-कन्वर्टेड (SPDC) को भी सपोर्ट करता है। डिस्पर्शन को इंजीनियर करने और बैंडविड्थ को मल्टी-टेराहर्ट्ज़ स्केल तक बढ़ाने की क्षमता निरंतर-चर (continuous-variable) क्वांटम कंप्यूटेशन और सिमुलेशन के लिए नए रास्ते खोलती है।

संक्षेप में, यह पेपर उन्नत नैनोफैब्रिकेशन, सटीक डोमेन इंजीनियरिंग और अनुनादी कैविटी डिज़ाइन को मिलाकर उच्च-प्रदर्शन वाली स्क्वीज़्ड लाइट को चिप पर उत्पादित करके इंटीग्रेटेड क्वांटम फोटोनिक्स में एक बड़ी सफलता का प्रदर्शन करता है, जो अगली पीढ़ी की क्वांटम प्रौद्योगिकियों के लिए मार्ग प्रशस्त करता है।