Programmable cavity-enhanced telecom quantum memory in thin-film lithium niobate

कल्पना कीजिए कि आप भविष्य के लिए एक सुपर-फास्ट, सुपर-सिक्योर इंटरनेट बनाने की कोशिश कर रहे हैं, जो जानकारी ले जाने के लिए बिजली के बजाय प्रकाश के कणों (फोटोन) का उपयोग करता है। इसे "क्वांटम नेटवर्क" कहा जाता है। लेकिन एक बड़ी समस्या है: ये प्रकाश के कण किसी शर्मीले भूत की तरह होते हैं। वे अविश्वसनीय रूपते से तेज़ चलते हैं और यदि आप उन्हें सिग्नल का इंतज़ार करने के लिए रोकने की कोशिश करते हैं, तो वे गायब हो जाते हैं। एक नेटवर्क को काम करने के लिए, आपको एक "वेटिंग रूम" या क्वांटम मेमोरी की आवश्यकता होती है जो इन भूतों को पकड़ सके, उन्हें कुछ क्षणों के लिए सुरक्षित रख सके, और उन्हें ठीक उसी समय छोड़ सके जब उनकी आवश्यकता हो, बिना उनकी पहचान बदले।

यह शोध पत्र इस तरह के "वेटिंग रूम" बनाने में एक बड़ी सफलता का वर्णन करता है, विशेष रूप से उस प्रकार के प्रकाश के लिए जिसका उपयोग हमारे वर्तमान फाइबर-ऑप्टिक केबलों (टेलीकॉम लाइट) में किया जाता है। उन्होंने इसे कैसे किया, इसका सरल विवरण यहाँ दिया गया है:

1. एक आदर्श कंटेनर: एक छोटा रेस ट्रैक

शोधकर्ताओं ने एक चिप पर एक सूक्ष्म उपकरण बनाया जो लिथियम निओबेट (एक विशेष क्रिस्टल) से बना है। इस चिप को एक छोटे रेस ट्रैक की तरह समझें।

• ट्रैक: यह एक रिंग-आकार का वेवगाइड (प्रकाश के लिए एक पथ) है जो अविश्वसनीय रूप से चिकना और सटीक है।
• यात्री: इस ट्रैक के अंदर, उन्होंने अर्बियम आयन नामक विशेष परमाणुओं को स्थापित किया है। ये प्रकाश के लिए "पार्किंग स्पॉट" की तरह हैं।
• जादुई सामग्री: उन्होंने केवल साधारण अर्बियम का उपयोग नहीं किया; उन्होंने एक बहुत ही शुद्ध, "आइसोटोपिक रूप से शुद्ध" (isotopically purified) संस्करण का उपयोग किया। कल्पना कीजिए कि आप एक मिश्रित कंचों की थैली को तब तक छाँट रहे हैं जब तक कि आपके पास केवल एक ही रंग और वजन के कंचे न बच जाएं। यह शुद्धता परमाणुओं को भ्रमित होने या प्रकाश की स्मृति को बहुत जल्दी खोने से रोकती है।

2. "कैविटी" प्रभाव: एक इको चैंबर (गूँज कक्ष)

आमतौर पर, प्रकाश इन परमाणुओं से इतनी तेज़ी से गुजर जाता है कि परमाणु इसे मुश्किल से ही महसूस कर पाते हैं। इसे ठीक करने के लिए, शोधकर्ताओं ने रेस ट्रैक को एक इको चैंबर (कैविटी) में बदल दिया।

• उपमा: कल्पना कीजिए कि आप एक सामान्य गलियारे में चिल्लाते हैं; आवाज़ जल्दी फीकी पड़ जाती है। अब एक आदर्श, गोलाकार सुरंग की कल्पना करें जहाँ आवाज़ फीकी पड़ने से पहले हजारों बार टकराकर वापस आती है।
• परिणाम: इस नन्हे रिंग में प्रकाश को कैद करके, प्रकाश इतनी बार इधर-उधर टकराता है कि अर्बियम परमाणुओं के पास इसे "पकड़ने" के लिए पर्याप्त समय होता है। इसने उन्हें प्रकाश को 23.3% दक्षता के साथ संग्रहीत करने की अनुमति दी, जो कि एक बहुत बड़ा सुधार है क्योंकि पिछले प्रयास 3% प्राप्त करने के लिए भी संघर्ष कर रहे थे।

3. "एटॉमिक कॉम्ब": पार्किंग स्पॉट्स को व्यवस्थित करना

प्रकाश को स्टोर करने के लिए, उन्होंने एक एटॉमिक फ्रीक्वेंसी कॉम्ब (AFC) तकनीक का उपयोग किया।

• उपमा: एक बालों वाली कंघी की कल्पना करें। कंघी के "दांत" प्रकाश की विशिष्ट आवृत्तियाँ (रंग) हैं जिन्हें परमाणु पकड़ने के लिए तैयार हैं। "अंतराल" वे आवृत्तियाँ हैं जिन्हें वे अनदेखा कर देते हैं।
• प्रक्रिया: उन्होंने परमाणुओं में इस "कॉम्ब पैटर्न" को "बर्न" करने के लिए लेजर का उपयोग किया। जब एक फोटोन आता है, तो वह पूरी तरह से एक दांत में फिट बैठता है, स्टोर हो जाता है, और फिर बाद में वापस बाहर निकल आता है।
• दीर्घायु: विशेष "शुद्ध" परमाणुओं के कारण, यह कॉम्ब पैटर्न अविश्वसनीय रूप से स्थिर है। यह बिना फीके पड़े 277 सेकंड (4 मिनट से अधिक) तक चला। क्वांटम मेमोरी की दुनिया में, जहाँ चीजें आमतौर पर माइक्रोसेकंड में गायब हो जाती हैं, यह मैराथन दौड़ने के लिए अपनी सांस रोकने जैसा है।

4. "रिमोट कंट्रोल": तेज़ और प्रोग्राम करने योग्य

यहीं पर यह उपकरण वास्तव में चतुर हो जाता है। अधिकांश क्वांटम मेमोरी एक लाइब्रेरी की तरह हैं जहाँ आपको किताब लेने के लिए किसी विशेष शेल्फ तक पैदल जाना पड़ता है। यह डिवाइस एक ऐसी लाइब्रेरी की तरह है जिसमें एक रोबोटिक आर्म है जो तुरंत किसी भी किताब को पकड़ सकता है।

• तंत्र: लिथियम निओबेट सामग्री में एक विशेष गुण (पॉकल्स प्रभाव - Pockels effect) है जो उन्हें एक बहुत छोटा विद्युत वोल्टेज लगाकर ट्रैक के रेजोनेंस के "रंग" को बदलने की अनुमति देता है।
• गति: वे मेमोरी किस "फ्रीक्वेंसी चैनल" को सुन रही है, इसे प्रति सेकंड 2 करोड़ बार (20 MHz) बदल सकते हैं।
• सटीकता: वे लगभग शून्य त्रुटि (10,000 में से 1 से भी कम गलती) के साथ प्रकाश के विभिन्न रंगों को अलग-अलग गंतव्यों तक भेज सकते हैं। इसका मतलब है कि वे एक साथ कई अलग-अलग संदेशों को स्टोर और रिट्रीव कर सकते हैं, जैसे कि एक मल्टी-लेन हाईवे जहाँ हर कार को पता होता है कि उसे कौन सा एग्जिट लेना है।

5. प्रमाण: "भूत" को बरकरार रखना

एक क्वांटम मेमोरी का अंतिम परीक्षण यह है: "क्या प्रकाश 'क्वांटम' बना रहता है?"

• प्रयोग: उन्होंने प्रकाश के उन जोड़ों को स्टोर किया जो "एंटैंगल्ड" (जुड़े हुए या आपस में जुड़े हुए) थे। यदि मेमोरी खराब होती, तो यह लिंक टूट जाता।
• परिणाम: प्रकाश को स्टोर करने और वापस प्राप्त करने के बाद, वह लिंक अभी भी मौजूद था। उन्होंने कणों को मापकर और यह दिखाकर साबित किया कि यह संबंध क्लासिकल दुनिया में संभव किसी भी चीज़ से अधिक मजबूत था। यह दो तालमेल में नाचने वाले नर्तकों को पकड़ने, उन्हें एक पल के लिए एक बॉक्स में रखने और फिर उनके बाहर निकलते ही उनके उसी बेहतरीन नृत्य को जारी रखने जैसा है।

सारांश

संक्षेप में, शोधकर्ताओं ने एक सिंगल चिप पर एक प्रोग्राम करने योग्य, उच्च-गति और कुशल क्वांटम मेमोरी बनाई है।

• यह प्रकाश को पकड़ने के लिए शुद्ध अर्बियम परमाणुओं को एक सूक्ष्म रिंग में उपयोग करता है।
• यह प्रकाश के विभिन्न रंगों को तुरंत ट्यून और रूट करने के लिए बिजली (electricity) का उपयोग करता है।
• इसने सफलतापूर्वक क्वांटम नियमों को तोड़े बिना एंटैंगल्ड लाइट को स्टोर किया।

यह डिवाइस एक "क्वांटम इंटरनेट" बनाने की दिशा में एक बड़ा कदम है जहाँ सूचना को पूरी तरह से एक चिप पर स्टोर, रूट और प्रोसेस किया जा सकता है, और इसके लिए उन्हीं फाइबर-ऑप्टिक केबलों का उपयोग किया जा सकता है जिनका हम आज उपयोग करते हैं।