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Generalised quantum interference

एक प्रोग्रामेबल इंटीग्रेटेड फोटोनिक प्रोसेसर का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया है कि एक परिवर्तनीय बीम स्प्लिटर पर असंतुलित टू-फोटॉन अवस्थाओं को हस्तक्षेप कराकर होंग-ओ-मैन्डल इंटरफेरेंस की समरूपता को तोड़ा जा सकता है, जिससे आउटपुट स्टेट को निरंतर ट्यून करके एक वर्जित बंचिंग चैनल बनाना संभव होता है जहाँ फोटॉन एक विशिष्ट पोर्ट पर एक साथ नहीं निकल सकते।

मूल लेखक: Sebastian Malewicz, Laura Serino, Marcelo P. de Almeida, Markus Rambach, Ming Su, Jihun Cha, Till J. Weinhold, Austin Lund, A. G. White

प्रकाशित 2026-07-01

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Sebastian Malewicz, Laura Serino, Marcelo P. de Almeida, Markus Rambach, Ming Su, Jihun Cha, Till J. Weinhold, Austin Lund, A. G. White

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

दो एक जैसे जुड़वा बच्चों की कल्पना करें जो दो दरवाजों वाले एक कमरे में प्रवेश कर रहे हैं। इस कहानी के क्लासिक संस्करण में, जिसे होंग-ओ-मैंडल (HOM) प्रभाव के रूप में जाना जाता है, यदि जुड़वा बच्चे पूरी तरह से एक जैसे हैं और दरवाजे पूरी तरह से संतुलित हैं, तो उनका एक अजीब क्वांटम नियम है: वे कभी भी अलग-अलग दरवाजों से बाहर नहीं निकल सकते। वे हमेशा एक साथ रहते हैं, या तो बाएं दरवाजे से या दाएं दरवाजे से बाहर निकलते हैं, लेकिन कभी भी एक-एक करके दोनों तरफ नहीं निकलते। यह ऐसा है जैसे वे मिलने के क्षण में ही एक-दूसरे के प्रति चुंबकीय रूप से आकर्षित हो जाते हैं।

लंबे समय तक, वैज्ञानिकों ने सोचा कि यह "साथ रहने" का नियम ही एकमात्र तरीका था जिससे क्वांटम कण (फोटॉन) एक स्प्लिटर (विभाजक) पर मिलते समय व्यवहार कर सकते हैं। लेकिन यह नया शोध पत्र दिखाता है कि नियमों को वास्तव में फिर से लिखा जा सकता है।

नया प्रयोग: समरूपता को तोड़ना

शोधकर्ताओं ने प्रकाश के लिए एक उच्च-तकनीकी, प्रोग्राम करने योग्य "ट्रैफिक कंट्रोलर" (एक फोटोनिक प्रोसेसर) का उपयोग करके खेल के नियमों को बदलने के लिए किया। बिल्कुल एक जैसे जुड़वा बच्चों और एक संतुलित दरवाजे को भेजने के बजाय, उन्होंने दो चीजें कीं:

जुड़वा बच्चों को अलग बनाया: उन्होंने फोटॉन की एक "असंतुलित" जोड़ी बनाई। इसे ऐसे समझें जैसे एक जुड़वा थोड़ा भारी है या उसने एक अलग बैकपैक ले रखा है।
दरवाजों को बदला: उन्होंने एक परिवर्तनशील दरवाजे का उपयोग किया जिसे एक तरफ से दूसरी तरफ की तुलना में अधिक खुला रखा जा सकता था।

परिणाम: "वर्जित निकास" (The Forbidden Exit)

फोटॉन के बीच के अंतर और दरवाजे के झुकाव को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, टीम ने एक "वर्जित निकास" बनाने में सफलता प्राप्त की।

क्लासिक परिदृश्य में, "वर्जित" परिणाम यह था कि जुड़वा बच्चे अलग-अलग बाहर निकल जाते। इस नए, "सामान्यीकृत" परिदृश्य में, वे जुड़वा बच्चों को अलग-अलग बाहर निकलने और बाएं दरवाजे से एक साथ बाहर निकलने में सफल रहे, लेकिन उन्हें दाएं दरवाजे से एक साथ बाहर निकलने से पूरी तरह से रोक दिया गया।

यह ऐसा है जैसे जुड़वा बच्चे:

बाएं दरवाजे से हाथ पकड़कर बाहर निकल सकते हैं।
बाएं और दाएं दरवाजे से अलग-अलग बाहर निकल सकते हैं।
लेकिन वे बिल्कुल भी दाएं दरवाजे से एक साथ बाहर नहीं निकल सकते।

शोधकर्ताओं ने "दाएं हाथ पकड़कर निकलने" वाले परिणाम को अन्य परिणामों की तुलना में लगभग 250 गुना कम कर दिया। उन्होंने साबित किया कि इनपुट के "असंतुलन" और बीम स्प्लिटर के "झुकाव" को समायोजित करके, वे फोटॉन के व्यवहार को लगातार नया आकार दे सकते हैं, जिससे "वर्जित" परिणाम को एक स्थान से दूसरे स्थान पर ले जाया जा सकता है।

यह क्यों महत्वपूर्ण है (पेपर के अनुसार)

यह पेपर यह दावा नहीं करता है कि इससे तुरंत नए चिकित्सा उपकरण या तेज़ इंटरनेट मिलेगा। इसके बजाय, यह इसे इस रूप में प्रस्तुत करता है कि यह एक मौलिक खोज है कि प्रकृति कैसे काम करती है:

यह टूलबॉक्स का विस्तार करता है: यह दिखाता है कि प्रसिद्ध "साथ रहने" का नियम बहुत बड़े क्वांटम व्यवहारों के परिवार का केवल एक विशेष मामला है।
यह नियंत्रण सिद्ध करता है: उन्होंने प्रदर्शित किया कि हम विशिष्ट, असममित परिणामों को बनाने के लिए इन क्वांटम अंतःक्रियाओं को सटीक रूप से इंजीनियर कर सकते हैं, जो पहले असंभव या केवल सैद्धांतिक माने जाते थे।
यह पूरी तरह से क्वांटम है: परिणाम क्वांटम मैकेनिक्स के अनुमानों से पूरी तरह मेल खाते थे और उन परिणामों से काफी भिन्न थे जो तब होते जब फोटॉन केवल साधारण, शास्त्रीय कण (जैसे कंचे) होते।

संक्षेप में, टीम ने एक प्रसिद्ध क्वांटम ट्रिक ली, उसमें सामग्री को थोड़ा बदला, और दिखाया कि चुनी गई किसी भी विशिष्ट घटना को दबाने के लिए जादू को निर्देशित किया जा सकता है, जिससे सूक्ष्म स्तर पर प्रकाश को नियंत्रित करने का एक नया तरीका खुला।

तकनीकी सारांश: सामान्यीकृत क्वांटम व्यतिकरण (Generalised Quantum Interference)

समस्या और संदर्भ
होंग-ओ-मैंडल (HOM) प्रभाव क्वांटम व्यवहार का एक मौलिक संकेत है, जहाँ अलग-अलग पोर्ट से प्रवेश करने वाले दो अविभेद्य फोटॉन एक संतुलित बीम स्प्लिटर पर हमेशा एक साथ बाहर निकलते हैं (बंचिंग/गुच्छा बनाना), जिससे संयोग (coincidence) परिणाम को दबा दिया जाता है जहाँ वे अलग-अलग बाहर निकलते हैं। जबकि मानक HOM प्रभाव फोटॉन अविभेद्यता और स्रोतों के लक्षण वर्णन के लिए एक सुस्थापित उपकरण है, यह दो-फोटॉन क्वांटम व्यतिकरण का केवल एक विशिष्ट उदाहरण प्रस्तुत करता है। सैद्धांतिक कार्य (संदर्भ [36]) सुझाव देता है कि रैखिक प्रकाशिकी (linear optics) एक व्यापक श्रेणी के "सामान्यीकृत" व्यतिकरण प्रभावों की अनुमति देती है। इस ढांचे में, इनपुट अवस्था और बीम स्प्लिटर रूपांतरण को हेरफेर करके, विनाशकारी व्यतिकरण (destructive interference) को न केवल संयोग पद (coincidence term) को, बल्कि दो बंचिंग पदों में से एक को दबाने के लिए भी ट्यून किया जा सकता है। इसके परिणामस्वरूप एक असममित क्वांटम व्यतिकरण शासन प्राप्त होगा जहाँ फोटॉन अलग-अलग निकल सकते हैं या एक पोर्ट में बंच हो सकते हैं, लेकिन दूसरे पोर्ट में बंच होना वर्जित होगा।

कार्यप्रणाली
लेखक Ascella प्रोग्रामेबल इंटीग्रेटेड फोटोनिक क्वांटम प्रोसेसिंग यूनिट (QPU) का उपयोग करके इस सामान्यीकृत व्यतिकरण को प्रयोगात्मक रूप से प्रदर्शित करते हैं। प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल में निम्नलिखित चरण शामिल हैं:

अवस्था तैयारी (State Preparation): एक क्वांटम डॉट स्रोत द्वारा उत्पन्न दो सिंगल फोटॉन को पहले एक संतुलित (50:50) बीम स्प्लिटर पर व्यतिकरण के लिए भेजा जाता है ताकि एक मानक HOM बन्च्ड अवस्था बनाई जा सके।
असंतुलन निर्माण (Imbalance Generation): इंटरफेरोमीटर की एक भुजा में नियंत्रित क्षीणन (attenuation) लागू किया जाता है। यह $a |2, 0\rangle + \sqrt{1-a^2} |0, 2\rangle$ के रूप में एक असंतुलित दो-फोटॉन इनपुट अवस्था तैयार करता है, जहाँ गुणांक $a$ , क्षीणन की ट्रांसमिसिविटी $\gamma$ द्वारा निर्धारित होता है।
परिवर्तनीय व्यतिकरण (Variable Interference): इस असंतुलित अवस्था को एक ट्यूनेबल रिफ्लेक्टिविटी $R$ वाले परिवर्तनीय बीम स्प्लिटर की ओर निर्देशित किया जाता है।
पहचान (Detection): तीन संभावित दो-फोटॉन आउटपुट विन्यास ( $|2, 0\rangle$ , $|1, 1\rangle$ , और $|0, 2\rangle$ ) को स्यूडो-फोटॉन-नंबर-रिजॉल्विंग (PPNR) डिटेक्शन का उपयोग करके हल किया जाता है। इसमें प्रत्येक आउटपुट आर्म को एक अतिरिक्त संतुलित बीम स्प्लिटर पर विभाजित करना और सुपरकंडक्टिंग नैनोवायर डिटेक्टरों के युग्मों के साथ निगरानी करना शामिल है। एक ही आर्म के भीतर संयोग (coincidences) बंचिंग घटनाओं की पहचान करते हैं, जबकि विभिन्न आर्म्स में क्लिक अलग-अलग आर्म्स में संयोग ( $|1, 1\rangle$ ) परिणाम की पहचान करते हैं।

मुख्य योगदान और परिणाम
अध्ययन सफलतापूर्वक इनपुट-स्टेट असंतुलन ( $\gamma$ ) और बीम स्प्लिटर रिफ्लेक्टिविटी ( $R$ ) को ट्यून करके दो-फोटॉन आउटपुट वितरण के निरंतर पुनर्गठन (reshaping) को प्रदर्शित करता है।

असममित व्यतिकरण बिंदु (Asymmetric Interference Point): लेखकों ने असममित क्वांटम व्यतिकरण के लिए विशिष्ट स्थितियों की पहचान की और उन्हें साकार किया। $\gamma \approx 0.7327$ (जिससे $a \approx 0.966$ प्राप्त होता है) के लिए क्षीणन सेट करके और बीम स्प्लिटर रिफ्लेक्टिविटी $R \approx 78.9\%$ रखकर, उन्होंने एक ऐसी अवस्था प्राप्त की जहाँ $|0, 2\rangle$ बंचिंग पद को विनाशकारी रूप से दबा दिया गया था।
प्रायोगिक डेटा: इस असममित बिंदु पर, मापा गया दबा हुआ $|0, 2\rangle$ आउटपुट $(1.9 \pm 0.8) \times 10^{-3}$ था। इसके विपरीत, शेष आउटपुट, $|2, 0\rangle$ और $|1, 1\rangle$ , लगभग समान प्रायिकता ( $0.479 \pm 0.009$ और $0.519 \pm 0.009$ ) के साथ हुए। यह वर्जित चैनल की तुलना में अनुमत चैनलों की तुलना में 250 गुना दमन को दर्शाता है।
सामान्यीकृत व्यवहार: तीन अलग-अलग क्षीणन सेटिंग्स के लिए $R$ को एक सीमा में स्कैन करके, लेखकों ने दिखाया कि आउटपुट प्रायिकताएं निरंतर विकसित होती हैं, जो सामान्यीकृत व्यतिकरण के लिए सैद्धांतिक भविष्यवाणियों से मेल खाती हैं। परिणाम डिकोहेरड (शास्त्रीय कण) मॉडल के अनुमानों से काफी भिन्न होते हैं, जो प्रभाव की क्वांटम प्रकृति की पुष्टि करते हैं।
विसंगतियां: मापे गए और सैद्धांतिक प्रायिकताओं के बीच मामूली विचलन को सीमित फोटॉन अविभेद्यता, प्रोग्राम किए गए सर्किट में अंशांकन त्रुटियों और उच्च रिफ्लेक्टिविटी पर बैकग्राउंड शोर के कारण जिम्मेदार ठहराया गया।

महत्व और दावे
यह शोध पत्र दावा करता है कि यह एक प्रोग्रामेबल इंटीग्रेटेड फोटोनिक प्रोसेसर पर सामान्यीकृत क्वांटम व्यतिकरण का पहला प्रयोगात्मक प्रदर्शन प्रदान करता है। प्राथमिक महत्व HOM प्रभाव को एक एकल, निश्चित घटना से बदलकर एक ट्यूनेबल परिवार के व्यतिकरण प्रभावों के व्यापक संदर्भ में विस्तार करने में निहित है।

लेखक कहते हैं कि यह कार्य मानक HOM प्रभाव को दो-फोटॉन क्वांटम व्यतिकरण के व्यापक संदर्भ में रखता है। वे सुझाव देते हैं कि चुनी गई आउटपुट चैनल को नियंत्रित तरीके से दबाने की क्षमता रैखिक प्रकाशिकी के माध्यम से एंटैंगल्ड फोटॉन नंबर स्टेट्स तैयार करने के लिए उपयोगी हो सकती है। अध्ययन इस बात की पुष्टि करता है कि इनपुट-स्टेट असंतुलन और बीम स्प्लिटर मापदंडों को बदलकर, एक मनचाहा दो-फोटॉन, दो-मोड अवस्था प्राप्त किया जा सकता है, जहाँ असममित बिंदु एक विशिष्ट स्थिति है जहाँ एक विशिष्ट बंचिंग चैनल वर्जित होता है।

नया प्रयोग: समरूपता को तोड़ना

परिणाम: "वर्जित निकास" (The Forbidden Exit)

यह क्यों महत्वपूर्ण है (पेपर के अनुसार)

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