Picosecond Schrödinger cat states for ultrafast optical quantum processing

मुख्य चित्र: "क्वांटम बिल्लियों" को तेज़ बनाना

कल्पना कीजिए कि आप एक ऐसा सुपर-फास्ट कंप्यूटर बनाने की कोशिश कर रहे हैं जो बिजली के बजाय प्रकाश (light) का उपयोग करता है। इस कंप्यूटर को असंभव समस्याओं को हल करने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली बनाने के लिए, इसमें एक विशेष सामग्री की आवश्यकता है: नॉन-गॉसियन अवस्थाएं (non-Gaussian states)। क्वांटम भौतिकी की दुनिया में, इन्हें अक्सर श्रोडिंगर की बिल्ली (Schrödinger's cat) अवस्थाएं कहा जाता है।

एक सामान्य प्रकाश तरंग (light wave) को एक चिकनी, लुढ़कती हुई समुद्री लहर की तरह समझें। एक "कैट स्टेट" उसी लहर की तरह है, लेकिन अचानक वह एक ही समय में दो जगहों पर होती है—जैसे एक बिल्ली जो एक साथ जीवित और मृत दोनों हो। ये "सुपर-पोजिशन" वाली लहरें उन्नत क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए आवश्यक जादुय ईंधन हैं।

समस्या:
अब तक, इन "कैट स्टेट्स" को बनाना एक धीमी गति से बहती नदी में एक विशिष्ट, दुर्लभ मछली को पकड़ने की कोशिश करने जैसा था।

1. वे धीमी हैं: पिछले अधिकांश प्रयोगों ने इन अवस्थाओं को "नैनोसेकंड" तरंगों (एक अरबवें सेकंड) का उपयोग करके बनाया। यह एक ऐसे जाल से मछली पकड़ने की कोशिश करने जैसा है जो बहुत धीरे चलता है; आप प्रति घंटे केवल कुछ ही मछलियाँ पकड़ सकते हैं।
2. वे नाजुक हैं: यह प्रक्रिया अक्षम है, और "बिल्लियाँ" आपके उपयोग करने से पहले ही गायब (खो) हो जाती हैं।

बड़ी सफलता:
यह पेपर एक ऐसी टीम का वर्णन करता है जिसने इन "क्वांटम बिल्लियों" को एक पिकोसेकंड नदी (एक ट्रिलियनवें सेकंड) में पकड़ने का तरीका खोज निकाला है। यह पिछले तरीकों की तुलना में लगभग 100 गुना तेज़ है। उन्होंने इन्हें न केवल तेज़ बनाया; बल्कि उन्हें इतना बड़ा भी बनाया कि वे भविष्य के क्वांटम कंप्यूटरों के लिए वास्तव में उपयोगी हो सकें।

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उन्होंने इसे कैसे किया: "फोटॉन सब्सट्रैक्शन" का तरीका

इन अवस्थाओं को बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने जनरलाइज्ड फोटॉन सब्सट्रैक्शन (GPS) नामक एक चतुर तकनीक का उपयोग किया। यह कैसे काम करता है, इसे रसोई के उदाहरण से समझते हैं:

1. सामग्री (Squeezed Light): उन्होंने प्रकाश की दो विशेष किरणों से शुरुआत की जिन्हें "स्क्वीज्ड वैक्यूम" कहा जाता है। कल्पना करें कि ये दो गुब्बारे हैं जिन्हें कसकर दबाया गया है। वे क्षमतात्मक ऊर्जा से भरे हुए हैं लेकिन अभी उनमें कोई "बिल्ली" नहीं है।
2. मिक्सर (Beam Splitter): उन्होंने इन दोनों गुब्कारों को एक विशेष स्प्लिटर पर आपस में मिला दिया।
3. ट्रिगर (द "हेराल्ड"): यह सबसे महत्वपूर्ण हिस्सा है। उन्होंने एक सुपर-सेंसिटिव कैमरे (एक ट्रांजिशन-एज सेंसर, या TES) के साथ मिक्सर के एक तरफ देखा जो व्यक्तिगत फोटॉन (प्रकाश के कणों) को गिन सकता है।
   • कल्पना कीजिए कि आप एक केक बना रहे हैं। आप बैटर (घोल) को मिलाते हैं, और फिर आप ओवन में झाँकते हैं। यदि आप देखते हैं कि ठीक 2, 3, या 4 विशिष्ट कण (फोटॉन) दिखाई देते हैं, तो आप जान जाते हैं कि दूसरे कटोरे में एक "क्वांटम बिल्ली" बन गई है।
   • कैमरा एक "हेराल्ड" (संकेत) के रूप में कार्य करता है। जब वह सही संख्या में कण देखता है, तो वह कहता है, "सफलता! बिल्ली तैयार है!"
4. परिणाम: दूसरे कटोरे में मौजूद प्रकाश तुरंत एक श्रोडिंगर कैट स्टेट में बदल जाता है।

यह समय क्यों मायने रखता है: "पिकोसेकंड" की गति

पेपर इस बात पर जोर देता है कि उन्होंने यह पिकोसेकंड के समय अंतराल में किया।

• पुराना तरीका (नैनोसेकंड): एक ऐसे कैमरे के साथ हमिंगबर्ड (हमिंगबर्ड) की फोटो लेने की कोशिश करने जैसा जिसकी शटर स्पीड धीमी है। इमेज धुंधली आती है, और आप विवरण खो देते हैं।
• नया तरीका (पिकोसेकंड): एक हाई-स्पीड स्ट्रोब लाइट का उपयोग करने जैसा। आप क्रिया को पूरी तरह से फ्रीज कर सकते हैं।

क्योंकि उन्होंने अल्ट्रा-फास्ट लाइट पल्स और एक सुपर-फास्ट कैमरे का उपयोग किया, वे इन अवस्थाओं को प्रति सेकंड 5 मिलियन बार उत्पन्न कर सके। इसने उस बाधा (bottleneck) को हल कर दिया है जो वैज्ञानिकों को बड़े पैमाने पर क्वांटम कंप्यूटर बनाने से रोक रही थी।

परिणाम: एक बड़ी, स्पष्ट "बिल्ली"

टीम ने सफलतापूर्वक इन अवस्थाओं को बनाया और उनकी एक "फोटो" ली (जिसे विग्नर फंक्शन कहा जाता है) ताकि यह साबित किया जा सके कि वे काम करती हैं।

• प्रमाण: क्वांटम भौतिकी में, एक "कैट" स्टेट का एक विशेष हस्ताक्षर होता है: इसके ऊर्जा मानचित्र में एक नकारात्मक गिरावट (negative dip)। इसे एक छाया की तरह समझें जो साबित करती है कि वस्तु वहां मौजूद है। पेपर उनके डेटा में स्पष्ट, गहरे साये (नकारात्मक क्षेत्र) दिखाता है।
• आकार: वे "बिल्ली" को उपयोगी होने के लिए पर्याप्त बड़ा बनाने में सफल रहे। उन्होंने बिल्ली के "एम्प्लीट्यूड" (आकार) को 1.69 मापा।
  • आकार क्यों मायने रखता है? छोटी बिल्लियाँ त्रुटि सुधार (कंप्यूटर में गलतियों को ठीक करना) के लिए बहुत अस्थिर होती हैं। बड़ी बिल्लियाँ स्थिर होती हैं। उनका आकार अब भविष्य के फॉल्ट-टॉलरेंट कंप्यूटरों के लिए आवश्यक "स्वीट स्पॉट" के करीब है।
• मल्टी-फोटॉन सफलता: उन्होंने केवल एक फोटॉन नहीं पकड़ा; उन्होंने सफलतापूर्वक एक साथ 2, 3 और 4 फोटॉन वाली घटनाओं को पकड़ा। उन्होंने जितने अधिक फोटॉन पकड़े, "बिल्ली" उतनी ही बड़ी और जटिल होती गई, जो उनके माप में चार अलग-अलग नकारात्मक क्षेत्रों तक दिखाई दी।

इसका भविष्य के लिए क्या अर्थ है (पेपर के अनुसार)

पेपर का दावा है कि यह कार्य अगली पीढ़ी के क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए आवश्यक लुप्त प्राय प्रयोगात्मक क्षमता प्रदान करता है।

• यह सिद्ध करता है कि हम इन विशेष अवस्थाओं को तेज़ (पिकोसेकंड) और बड़ी (लार्ज एम्प्लीट्यूड) बना सकते हैं।
• यह "एडेप्टिव ब्रीडिंग" नामक एक तकनीक के लिए मंच तैयार करता है। कल्पना कीजिए कि दो छोटी "बिल्लियों" (छोटी कैट स्टेट्स) को लेकर उन्हें आपस में "प्रजनन" (breed) कराकर एक बड़ी, मजबूत "बिल्ली" बनाना, जिसका उपयोग क्वांटम कंप्यूटर में एक लॉजिकल बिट (डेटा का एक टुकड़ा) के रूप में किया जा सके।
• पेपर सुझाव देता है कि इन तेज़, बड़े-एम्प्लीट्यूड वाली बिल्लियों के साथ, हम अब वास्तविक, त्रुटि-सुधारने वाले ऑप्टिकल क्वांटम कंप्यूटर के लिए आवश्यक "लॉजिकल क्यूबिट्स" बनाना शुरू कर सकते हैं।

संक्षेप में: शोधकर्ताओं ने एक हाई-स्पीड फैक्ट्री बनाई है जो पहले की तुलना में 100 गुना तेज़ी से "क्वांटम बिल्लियाँ" पैदा कर सकती है, और ये बिल्लियाँ अब एक वास्तविक, काम करने वाले क्वांटम कंप्यूटर के निर्माण खंड (building blocks) बनने के लिए पर्याप्त बड़ी और मजबूत हैं।