80 Channel Photon Pair Source from a Thin-Film Lithium Niobate Racetrack Microresonator
यह शोध पत्र एक X-कट थिन-फिल्म लिथियम नाइओबेट रेसट्रैक माइक्रोरेज़ोनेटर पर एक रिकॉर्ड-तोड़ 80-चैनल फोटॉन पेयर स्रोत का प्रदर्शन करता है, जो स्केलेबल क्वांटम अनुप्रयोगों को आगे बढ़ाने के लिए C और L ऑप्टिकल बैंड्स में उच्च पेयर जनरेशन दरों और हेराल्डेड सिंगल-फोटॉन शुद्धता को प्राप्त करता है।
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प्रकाश की दुनिया को केवल एक ऐसी किरण के रूप में न देखें जो आपको देखने में मदद करती है, बल्कि इसे फोटॉन नामक नन्हे, अदृश्य संदेशवाहकों के एक व्यस्त राजमार्ग के रूप में देखें। क्वांटम विज्ञान के क्षेत्र में, ये संदेशवाहक विशेष हैं क्योंकि वे "एंटैंगल्ड" (entangled) हो सकते हैं, जिसका अर्थ है कि वे एक गुप्त संबंध साझा करते हैं जहाँ एक की स्थिति तुरंत दूसरे को प्रभावित करती है, चाहे वे एक-दूसरे से कितनी भी दूर क्यों न हों। यह रहस्यमयी संबंध भविष्य की तकनीकों जैसे कि अति-सुरक्षित संचार (जहाँ हैकर्स बिना पकड़े गए छिपकर बातें नहीं सुन सकते) और सुपर-फास्ट क्वांटम कंप्यूटरों के पीछे की महाशक्ति है। इन तकनीकों को बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को एक विश्वसनीय कारखाना चाहिए जो मांग पर इन एंटैंगल्ड जोड़ों को तैयार कर सके। लंबे समय तक, इन कारखानों को बनाना एक एकल, बहुत छोटे ओवन के साथ केक पकाने की कोशिश करने जैसा था: आप एक बार में केवल एक या दो जोड़े ही बना सकते थे, और आपको अगले बैच के लिए लंबे समय तक इंतजार करना पड़ता था। विज्ञान के इस कोने में बड़ा सवाल यह है: हम एक ऐसा कारखाना कैसे बनाएं जो इन जोड़ों को एक साथ, कुशलतापूर्वक और बिना बहुत अधिक ऊर्जा खर्च किए, सैकड़ों की संख्या में निकाल सके?
यह शोध पत्र उस टीम की कहानी बताता है जिसने 'थिन-फिल्म लिथियम नियोबेट' (thin-film lithium niobate) नामक एक विशेष सामग्री का उपयोग करके फोटॉन जोड़ों के लिए एक छोटा, उच्च-गति वाला कारखाना बनाया। इस सामग्री को प्रकाश के लिए एक सुपर-स्मूथ, सुपर-फास्ट रेसट्रैक (रैकेट) के रूप में समझें। शोधकर्ताओं ने इस सामग्री में एक सूक्ष्म "रेसट्रैक" उकेरा, जिससे एक लूप बन गया जहाँ प्रकाश बार-बार चक्कर लगा सकता है। इस लूप के भीतर, उन्होंने एक विशेष खंड रखा जो एक जादुई प्रिज्म की तरह कार्य करता है। जब वे इस रेसट्रैक में एक चमकदार लेजर (पंप) डालते हैं, तो जादू होता है: लेजर प्रकाश दो नए, एंटैंगल्ड फोटॉन (एक सिग्नल और एक आइडलर) में विभाजित हो जाता है जो विपरीत दिशाओं में दौड़ते हैं। इस डिजाइन की प्रतिभा यह है कि रेसट्रैक को इतनी सटीकता से ट्यून किया गया है कि यह केवल एक जोड़ा नहीं बनाता; बल्कि यह एक विशाल कंघी की तरह कार्य करता है, जो प्रकाश को एक साथ 80 अलग-अलग "चैनलों" या लेन में काट देता है। यह बिल्कुल वैसा ही है जैसे उन्होंने पानी की एक एकल धारा ली और उसे 80 पूरी तरह से सिंक्रोनाइज्ड फव्वारों में बदल दिया, जो एक साथ एंटैंगल्ड फोटॉन के जोड़े छोड़ रहे हैं।
टीम ने इस नए स्रोत का मापन किया और पाया कि यह मात्रा के मामले में एक रिकॉर्ड-ब्रेकर है। उन्होंने सफलतापूर्वक फोटॉन जोड़ों के 80 अलग-अलग चैनलों का पता लगाया, जो अब तक प्रदर्शित की गई अब तक की उच्चतम संख्या है। ये चैनल 49.5 GHz की दूरी पर स्थित हैं, एक ऐसी फ्रीक्वेंसी गैप जो आधुनिक दूरसंचार में उपयोग किए जाने वाले मानक उपकरणों (इंटरनेट द्वारा उपयोग किए जाने वाले "C और L बैंड") के साथ पूरी तरह फिट बैठती है। जब उन्होंने गणना की, तो उन्होंने पाया कि उनके द्वारा डाली गई प्रत्येक छोटी शक्ति (विशेष रूप से, 1 माइक्रोवाट) के लिए, डिवाइस से प्रकाश के बाहर निकलने की दक्षता को ध्यान में रखते हुए, स्रोत ने प्रति सेकंड लगभग 125,700 फोटॉन जोड़े उत्पन्न किए। उन्होंने इन फोटॉन की गुणवत्ता का भी परीक्षण किया। एक फोटॉन को "हेराल्ड" (एक संकेत जो कहता है, "अरे, एक साथी आ रहा है!") के रूप में उपयोग करके, वे पुष्टि करने में सक्षम थे कि स्रोत बहुत उच्च स्तर की शुद्धता के साथ सिंगल फोटॉन का उत्पादन करता है, जो 0.0544 ± 0.0054 का कोरिलेशन डिप (correlation dip) मापता है। यह कम संख्या एक मजबूत संकेतक है कि स्रोत बिल्कुल वैसे ही व्यवहार कर रहा है जैसा कि एक उच्च-गुणवत्ता वाला क्वांटम लाइट सोर्स को करना चाहिए।
शोधकर्ताओं ने केवल जोड़ों की गिनती ही नहीं की; उन्होंने प्रकाश के "व्यक्तित्व" की भी जांच की। उन्होंने पुष्टि की कि फोटॉन अपेक्षित सांख्यिकीय नियमों का पालन करते हैं, जो व्यक्तिगत रूप से देखे जाने पर एक "थर्मल स्टेट" की तरह व्यवहार करते हैं, जैसा कि सिद्धांत भविष्यवाणी करता है। उन्होंने यह भी दिखाया कि उपकरण मजबूत है, जिसमें अवांछित शोर को फ़िल्टर करने और साफ, उपयोगी जोड़े देने की क्षमता है। जबकि समान उपकरण बनाने के लिए अन्य सामग्रियों का उपयोग किया गया है, यह विशिष्ट सेटअप X-कट थिन-फिल्म लिथियम नियोबेट पर खड़ा है क्योंकि यह बड़ी संख्या में चैनलों बनाने की क्षमता और प्रकाश को बहुत तेज़ी से और कुशलता से नियंत्रित करने की क्षमता को जोड़ता है। शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि यह प्लेटफॉर्म एक आशाजनक कदम है, जो वैज्ञानिकों को केवल कुछ के बजाय, एक ही छोटे चिप पर फोटॉन जोड़ों के एक विशाल पुस्तकालय तक पहुंच प्रदान करके क्वांटम अनुप्रयोगों को स्केल करने का एक तरीका प्रदान करता है।
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