Generation of vortex-squeezed light in a coherently prepared medium

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक गीत गुनगुना रहा है, लेकिन सबसे शांत, अंधेरे कमरे में भी, एक हल्की सी, स्थिर सरसराहट (static hiss) मौजूद है। यह कोई टूटा हुआ रेडियो नहीं है; यह ब्रह्मांड का बैकग्राउंड शोर है, जिसे "क्वांटम वैक्यूम फ्लक्चुएशन" (quantum vacuum fluctuations) के रूप में जाना जाता है। इसे एक टीवी स्क्रीन पर दिखने वाले स्टैटिक की तरह समझें जब कोई चैनल नहीं चल रहा होता—यह प्रकृति द्वारा दी गई न्यूनतम धुंधलापन (fuzziness) है, जो प्रसिद्ध हाइजेनबर्ग अनिश्चितता सिद्धांत (Heisenberg uncertainty principle) द्वारा निर्धारित एक नियम है। वैज्ञानिक इसे "स्टैंडर्ड क्वांटम लिमिट" (standard quantum limit) कहते हैं, और यह उन लोगों के लिए थोड़ा निराशाजनक है जो अत्यधिक सटीकता के साथ चीजों को मापने की कोशिश कर रहे हैं। यदि आप ब्लैक होल के टकराव से उत्पन्न होने वाली गुरुत्वाकर्षण तरंग या किसी एकल परमाणु के सूक्ष्म चुंबकीय क्षेत्र का पता लगाने के लिए एक सुपर-सेंसिटिव सेंसर बनाना चाहते हैं, तो यह स्टैटिक बीच में बाधा डालता है।

इस शोर को मात देने के लिए, भौतिक विज्ञानी "स्क्वीजिंग" (squeezing) नामक एक तरकीब का उपयोग करते हैं। एक हवा से भरे गुब्बारे की कल्पना करें। यदि आप इसे किनारों से दबाते हैं, तो यह वहां से पतला हो जाता है, लेकिन ऊपर और नीचे से यह फूल जाता है। क्वांटम दुनिया में, "स्क्वीज्ड लाइट" (squeezed light) उस गुब्बारे की तरह है: वैज्ञानिक प्रकाश तरंग के एक विशिष्ट गुण, जैसे कि उसकी चमक (brightness), में शोर (धुंधलापन) को कम कर देते हैं, लेकिन उस शोर को कहीं और जाना पड़ता है, इसलिए दूसरे गुण, जैसे कि उसके समय (timing) में, शोर बढ़ जाता है। यह हमें उन विवरणों को देखने की अनुमति देता है जो पहले स्टैटिक द्वारा छिपे हुए थे।

अब, उस स्क्वीज्ड लाइट को लेकर उसे एक पेंचदार (corkscrew) आकार में घुमाने की कल्पना करें। यह "वॉर्टेक्स लाइट" (vortex light) है, जो एक विशेष प्रकार की बीम है जो ऑर्बिटल एंगुलर मोमेंटम (orbital angular momentum) नामक एक घूमती हुई गति को वहन करती है। यह प्रकाश के एक बवंडर की तरह है जो एक सीधी बीम की तुलना में अधिक जानकारी ले जा सकता है। बड़ा सवाल यह रहा है: हम इस मुड़ी हुई, अत्यंत शांत रोशनी को जटिल, भारी मशीनों का उपयोग किए बिना कैसे बना सकते हैं जो उस घुमाव को खराब कर सकती हैं? यही वह पहेली है जिसे यह नया शोध पत्र हल करने की कोशिश करता है।

इस अध्ययन में, चीन के बेइहांग विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने इस "वॉर्टेक्स-स्क्वीज्ड" (vortex-squeezed) प्रकाश को बनाने का एक चतुर नया तरीका प्रस्तावित किया है। क्रिस्टल को विभाजित करने या चार अलग-अलग प्रकाश बीमों को मिलाने जैसी सामान्य भारी-भरकम विधियों के बजाय, वे एक ऐसे माध्यम (परमाणुओं के बादल) का सुझाव देते हैं जिसे सावधानीपूर्वक "कोहेरेंटली प्रिपेयर्ड" (coherently prepared) किया गया हो। इस तैयारी को एक संगीत कार्यक्रम से पहले एक गायक मंडली (choir) को ट्यून करने जैसा समझें; परमाणुओं को एक विशिष्ट, सिंक्रोनाइज्ड अवस्था में सेट किया जाता है ताकि वे प्रकाश के संगीत पर नाचने के लिए तैयार रहें।

टीम का विचार इस प्रिपेयर्ड परमाणु मंडली में वॉर्टेक्स लाइट की एक "कंट्रोल" बीम चमकाना है। जैसे ही प्रकाश परमाणुओं के साथ परस्पर क्रिया करता है, "रमन स्कैटरिंग" (Raman scattering) नामक एक प्रक्रिया होती है। यह पकड़म-पकड़ाई के खेल की तरह है जहाँ कंट्रोल बीम एक परमाणु को गेंद फेंकता है, परमाणु गेंद को पकड़ता है, और फिर तुरंत एक अलग रंग (फ्रीक्वेंसी) में एक नई गेंद वापस फेंकता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह नई "सिग्नल" बीम, जो स्वयं भी एक वॉर्टेक्स है, इस तरह निकलती है कि उसका शोर बाहर निकल चुका होता है (squeezed out)। और भी दिलचस्प बात यह है कि मूल कंट्रोल बीम, जो अंदर गई थी, वह भी इस माध्यम से गुजरते समय स्क्वीज हो जाती है।

यह शोध पत्र, जो कि एक भौतिक प्रयोग के बजाय गणितीय सिमुलेशन पर आधारित एक सैद्धांतिक प्रस्ताव है, दिखाता है कि अपने सिस्टम के कुछ "नॉब्स" (knobs) को बदलकर—विशेष रूप से "टू-फोटॉन डिट्यूनिंग" (दो-फोटॉन ऊर्जा अंतर को ट्यून करने का एक तरीका) और "ग्राउंड-स्टेट रिलैक्सेशन रेट" (परमाणुओं के सिंक्रोनाइज्ड डांस के खोने की दर)—वे एक "स्वीट स्पॉट" (sweet spot) पा सकते हैं। इस स्वीट स्पॉट में, स्क्वीजिंग अधिकतम होती है। उन्होंने पाया कि जबकि दोनों बीम शांत होती हैं, कंट्रोल बीम वास्तव में उस सिग्नल बीम की तुलना में अधिक स्क्वीज होती है जिसे वह बनाती है।

शोधकर्ताओं ने परमाणु बादल के "घनत्व" (density) को भी देखा। उन्होंने पाया कि अधिक परमाणु (उच्च ऑप्टिकल डेंसिटी) होने से प्रकाश को माध्यम के माध्यम से एक स्पष्ट रास्ता स्थापित करने में मदद मिलती है, लेकिन एक बार जब वह रास्ता साफ हो जाता है, तो घनत्व इस बात को नहीं बदलता कि कितना प्रकाश गुजरता है। हालांकि, घनत्व समग्र रूप से स्क्वीजिंग प्रभाव को मजबूत बनाने में मदद करता है।

इस विधि का एक प्रमुख लाभ यह है कि यह प्रकाश को घुमाने के लिए अतिरिक्त उपकरणों की आवश्यकता को समाप्त करता है। आमतौर पर, वैज्ञानिक सामान्य स्क्वीज्ड लाइट बनाते हैं और फिर उसे एक विशेष मॉड्यूलेटर के माध्यम से चलाने के लिए मजबूर करते हैं ताकि उसे वॉर्टेक्स में बदला जा सके, जो बीम की शुद्धता को बिगाड़ सकता है। यहाँ, वॉर्टेक्स का आकार स्वाभाविक रूप से बना रहता है क्योंकि प्रकाश शुरू से ही उसी आकार में परमाणुओं के साथ सीधे इंटरैक्ट करता है।

लेखक सुझाव देते हैं कि इस सेटअप को रुबिडियम-87 परमाणुओं का उपयोग करके बनाया जा सकता है, जो क्वांटम लैब में एक सामान्य तत्व है, जिसमें विशिष्ट ऊर्जा स्तर होते हैं जो इलेक्ट्रॉनों के लिए सीढ़ी के डंडों की तरह कार्य करते हैं। वे प्रस्तावित करते हैं कि "कोहेरेंट प्रिपरेशन" को STIRAP नामक तकनीक का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है, जो परमाणुओं को बिना झटके के सही अवस्था में ले जाने का एक कोमल और सटीक तरीका है।

हालांकि यह वर्तमान में एक सैद्धांतिक मॉडल है, इसके परिणाम उच्च-गुणवत्ता वाली स्क्वीज्ड वॉर्टेक्स लाइट उत्पन्न करने के एक लचीले और मजबूत तरीके का संकेत देते हैं। यदि इसे वास्तविक लैब में बनाया जा सकता है, तो यह भविष्य की क्वांटम तकनीक के लिए एक नया उपकरण प्रदान कर सकता है, जो क्वांटम कंप्यूटरों, अति-सटीक सेंसरों और सुरक्षित संचार नेटवर्क को और भी बेहतर बनाने में मदद कर सकता है, क्योंकि यह प्रकाश के एक स्वच्छ, अधिक घुमावदार स्रोत की आपूर्ति करता है। यह अध्ययन इस बात पर प्रकाश डालता है कि सर्वोत्तम परिणामों के लिए सिस्टम को ट्यून करने की बहुत गुंजाइश है, जो इसे भविष्य के क्वांटम प्रयोगों के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार बनाता है।