18-dB on-chip vacuum squeezing in an adaptively poled lithium niobate waveguide

मुख्य चित्र: प्रकाश के "स्थिर शोर" (Static) को वश में करना

कल्पना कीजिए कि आप शोर से भरे कमरे में एक बहुत ही धीमी फुसफुसाहट सुनने की कोशिश कर रहे हैं। प्रकाश (फोटोन) की दुनिया में, इस "शोर" को शॉट नॉइज़ (shot noise) कहा जाता है। यह वह यादृच्छिक थरथराहट (random jitter) है जो स्वाभाविक रूप से होती है क्योंकि प्रकाश सूक्ष्म कणों से बना है। आमतौर पर, आप इस शोर को खत्म नहीं कर सकते; यह ब्रह्मांड का एक हिस्सा है।

हालाँकि, वैज्ञानिकों ने प्रकाश को "निचोड़ने" (squeeze) का एक तरीका खोजा है। हवा से भरे गुब्बारे के बारे में सोचें। यदि आप गुब्बारे के एक तरफ से उसे दबाते हैं, तो वह दूसरी तरफ से फूल जाता है। क्वांटम भौतिकी में, आप प्रकाश के "शोर" को इस तरह निचोड़ सकते हैं कि वह एक दिशा में बहुत शांत हो जाए (फुसफुसाहट स्पष्ट हो जाए) लेकिन दूसरी दिशा में बहुत तेज़ हो जाए (गुब्बारा फूल जाए)। इसे क्वांटम स्क्वीज़िंग (quantum squeezing) कहा जाता है।

इस शोध पत्र का लक्ष्य एक छोटा, चिप-आकार का मशीन बनाना है जो इस स्क्वीज़िंग को किसी भी अन्य चिप-आधारित मशीन की तुलना में बेहतर तरीके से कर सके।

समस्या: "ऊबड़-खाबड़ रास्ता"

प्रकाश को प्रभावी ढंग से निचोड़ने के लिए, आपको प्रकाश के चलने के लिए एक लंबा, चिकना रास्ता चाहिए। शोधकर्ताओं ने लिथियम नायोबेट (Lithium Niobate) (एक प्रकार का क्रिस्टल) नामक सामग्री का उपयोग किया जिसे एक बहुत पतली फिल्म के रूप में बनाया गया था। उन्होंने इसमें बहुत बारीक चैनल (वेवगाइड्स) उकेरे, जो लगभग 1.6 सेंटीमीटर लंबे थे।

यहाँ समस्या थी: भले ही ये चिप्स उच्च-तकनीकी मशीनों से बनाई गई हैं, लेकिन क्रिस्टल पूरी तरह से समतल नहीं है। इसमें सूक्ष्म उभार और गड्ढे हैं, जैसे कि एक सड़क जिसमें छोटे-छोटे गड्ढे हों।

• उपमा (Analogy): कल्पना कीजिए कि आप एक गलियारे में शॉपिंग कार्ट को धक्का दे रहे हैं। यदि फर्श पूरी तरह से समतल है, तो कार्ट सीधा चलता है। यदि फर्श में उभार हैं, तो कार्ट डगमगाता है, और आप ऊर्जा खो देते हैं।
• परिणाम: एक लंबे चिप में, ये छोटे उभार प्रकाश को तालमेल से बाहर कर देते हैं (फेज मैचिंग खो देते है), जिससे स्क्वीज़िंग का प्रभाव खराब हो जाता है। आमतौर पर, यह सीमित करता है कि आप चिप पर कितनी अधिक स्क्वीज़िंग प्राप्त कर सकते हैं।

समाधान: "अनुकूली दर्जी" (Adaptive Tailor)

टीम ने एक चतुर समाधान निकाला जिसे वे एडेप्टिव पोलिंग (Adaptive Poling) कहते हैं।

1. भूभाग का मानचित्रण (Mapping the Terrain): सबसे पहले, उन्होंने अपने क्रिस्टल चिप की मोटाई को हर एक बिंदु पर मापा, जिससे सभी उभारों और गड्ढों का एक विस्तृत मानचित्र तैयार हुआ।
2. पैटर्न को अनुकूलित करना: हर जगह एक ही पैटर्न का उपयोग करने के बजाय, उन्होंने मानचित्र के अनुरूप "पोलिंग" (क्रिस्टल की आंतरिक संरचना को बदलने की एक प्रक्रिया) को समायोजित किया।
   • उपमा: इसे एक दर्जी की तरह सोचें जो सूट बनाता है। हर किसी के लिए मानक आकार का उपयोग करने के बजाय, वे व्यक्ति के सटीक शरीर के आकार को मापते हैं और कपड़े को बिल्कुल फिट होने के लिए काटते हैं। यदि क्रिस्टल किसी स्थान पर थोड़ा मोटा है, तो वे वहां पैटर्न को इस तरह से ट्यून करते हैं कि प्रकाश, चाहे रास्ता कितना भी ऊबड़-खाबड़ क्यों न हो, पूरी तरह से तालमेल में रहे।

परिणाम: एक रिकॉर्ड-तोड़ स्क्वीज़

इस कस्टम-फिट दृष्टिकोण का उपयोग करके, उन्होंने एक "ट्रैवलिंग-वेव" स्क्वीज़र बनाया। इसका मतलब है कि प्रकाश चिप के माध्यम से एक बार यात्रा करता है, रास्ते में निचोड़ा जाता है, न कि एक बॉक्स में आगे-पीछे उछलता है (जिसे नियंत्रित करना कठिन होता है)।

उन्होंने क्या हासिल किया:

• मापन: जब उन्होंने चिप से निकलने वाले प्रकाश को देखा, तो उन्होंने शोर में लगभग 0.66 dB की कमी देखी। यह सुनने में छोटा लग सकता है, लेकिन यह एक वास्तविक माप है।
• छिपी हुई वास्तविकता (The "Inferred" Number): शोध पत्र बताता है कि चिप वास्तव में एक विशाल काम कर रही है, लेकिन मापन उपकरण और चिप के किनारे (facets) अपना थोड़ा शोर और नुकसान जोड़ते हैं।
  • उपमा: कल्पना कीजिए कि एक बहुत ही शांत पुस्तकालय (चिप) है जहाँ आप फुसफुसा रहे हैं। लेकिन आप एक लंबे, थोड़े शोर वाले गलियारे (मापन सेटअप) के माध्यम से बोल रहे हैं। आप फुसफुसाहट सुनते हैं, लेकिन यह पुस्तकालय के अंदर जितनी स्पष्ट है, उतनी नहीं है।
  • गणित: शोधकर्ताओं ने यह पता लगाने के लिए एक परिष्कृत कंप्यूटर मॉडल बनाया कि गलियारे में कितना शोर नष्ट हुआ। जब उन्होंने उस नुकसान को घटाया, तो उन्होंने गणना की कि चिप के भीतर, प्रकाश 18 dB से स्क्वीज़ किया गया था।
• महत्व: 18 dB की स्क्वीज़िंग एक बहुत बड़ी बात है। इसका मतलब है कि शोर लगभग 63 के कारक से कम हो गया है। यह किसी भी एकीकृत चिप (integrated chip) पर रिपोर्ट की गई अब तक की उच्चतम स्क्वीज़िंग का स्तर है।

यह क्यों महत्वपूर्ण है (शोध पत्र के अनुसार)

1. यह स्केलेबल है: भारी, कमरे के आकार की मशीनों के विपरीत जो दर्पणों और मुक्त स्थान का उपयोग करती हैं, यह एक छोटी चिप है। यह साबित करता है कि हम शक्तिशाली क्वांटम उपकरण बना सकते हैं जो जेब में समा सकें।
2. यह सटीक है: शोध पत्र केवल अनुमान नहीं लगाता है। उन्होंने यह साबित करने के लिए कि उनके नंबर वास्तविक हैं, न कि केवल भाग्यशाली अनुमान, एक "डिस्ट्रीब्यूटेड मॉडल" (पूरी प्रक्रिया का एक विस्तृत मानचित्र) का उपयोग किया।
3. यह निरंतर है: उन्होंने यह एक स्थिर बीम (कंटीन्यूअस वेव) के साथ किया, न कि केवल छोटी झटकों के साथ। यह सेंसिंग और संचार जैसे कई व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए बेहतर है।

सारांश

शोधकर्ताओं ने एक छोटा, 1.6 सेंटीमीटर का क्रिस्टल चिप बनाया। उन्होंने इसके सूक्ष्म दोषों का मानचित्रण किया और क्रिस्टल की आंतरिक संरचना को उन दोषों के अनुसार पूरी तरह से अनुकूलित किया। इसने उन्हें पहले की तुलना में कहीं अधिक प्रभावी ढंग से प्रकाश के "स्थिर शोर" को निकालने में सक्षम बनाया। हालांकि कच्चा मापन मामूली था, लेकिन उनके उन्नत मॉडलिंग ने यह साबित किया कि चिप के भीतर, उन्होंने रिकॉर्ड-तोड़ 18 dB की स्क्वीज़िंग हासिल की, जिससे सुपर-सेंसिटिव क्वांटम सेंसर और कंप्यूटरों का मार्ग प्रशस्त हुआ।