Coherent electric field manipulation of nuclear spin qudit
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि ZnO में Mn2+ को डोपिंग करने से एक अत्यधिक ध्रुवीकरणीय ऑक्साइड होस्ट में हाइपरफाइन-कपल्ड इलेक्ट्रॉन स्पिन का लाभ उठाकर न्यूक्लियर स्पिन क्वडिट्स (qudits) का कुशल, सार्वभौमिक विद्युत-क्षेत्र नियंत्रण सक्षम होता है, जिससे पारंपरिक अर्धचालक प्रणालियों में विशिष्ट कमजोर विद्युत-क्षेत्र युग्मन की बाधा दूर हो जाती है।
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कल्पना कीजिए कि आप एक सुपर-फास्ट कंप्यूटर बनाने की कोशिश कर रहे हैं जो आपके लैपटॉप की तरह बिजली का उपयोग नहीं करता है, बल्कि सूचनाओं को स्टोर करने के लिए परमाणुओं के सूक्ष्म, अदृश्य "स्पिन्स" (spins) का उपयोग करता है। ये परमाणु स्पिन, घूमते हुए लट्टुओं की तरह हैं जो अलग-अलग दिशाओं में घूमकर जानकारी जमा कर सकते हैं। समस्या यह है कि ये लट्टू अविश्वसनीय रूप से जिद्दी होते हैं। आमतौर पर, उन्हें घुमाने या उनकी दिशा बदलने के लिए वैज्ञानिकों को विशाल, भारी चुंबकों का उपयोग करना पड़ता है। लेकिन चुंबक को एक एकल परमाणु के आकार तक छोटा करना कठिन है, और उन्हें एक छोटे कंप्यूटर चिप के भीतर आसानी से वायर (wire) नहीं किया जा सकता है।
यहीं से चुंबकत्व के बजाय बिजली का उपयोग करने का विचार आता है। यह एक झूला झुलाने की कोशिश करने जैसा है: आप या तो दूर से एक विशाल चुंबक से उसे धक्का दे सकते हैं (जो निशाना लगाना कठिन है), या आप उसे अपने हाथ से एक हल्का, सटीक धक्का दे सकते हैं (जो नियंत्रण में आसान है)। क्वांटम कंप्यूटिंग की दुनिया में, वैज्ञानिक इन परमाणु स्पिनों को विद्युत क्षेत्रों (electric fields) के माध्यम से "नज" (nudge) करने का तरीका खोजने की कोशिश कर रहे थे। हालाँकि, लंबे समय तक, सामान्य सामग्रियों में ये स्पिन भारी, फिसलन भरे पत्थरों की तरह थे जो बिजली के झटके से मुश्किल से हिलते थे। उन्हें थोड़ा सा हिलाने के लिए भी विशाल, शक्तिशाली विद्युत क्षेत्रों की आवश्यकता होती थी, जिससे वे एक वास्तविक कंप्यूटर के लिए बहुत धीमे और अक्षम हो जाते थे। बड़ा सवाल यह था: क्या हम कोई ऐसी सामग्री ढूंढ सकते हैं जहाँ ये परमाणु स्पिन हल्के, उछलने वाले गेंदों की तरह हों जो एक हल्के से बिजली के स्पर्श मात्र से कूद उठें?
यही वह चीज़ है जिसे ऑक्सफोर्ड, KAIST और क्वीन मैरी यूनिवर्सिटी ऑफ लंदन के शोधकर्ताओं की एक टीम खोजने के रूपЕЛЬ में निकली थी। उन्होंने सामान्य संदिग्धों को देखना बंद करने का निर्णय लिया और इसके बजाय एक विशेष प्रकार की सामग्री जिसे 'ऑक्साइड' कहा जाता है, विशेष रूप से मैंगनीज के थोड़े से अंश के साथ जिंक ऑक्साइड (ZnO) को आज़माने का फैसला किया। जिंक ऑक्साइड को एक क्रिस्टल लैटिस (crystal lattice) के रूप में सोचें, जो परमाणुओं का एक कठोर ग्रिड है, और कल्पना करें कि आप एक बॉक्स में मौजूद साफ मार्बल्स के बीच एक रंगीन मार्बल की तरह एक मैंगनीज परमाणु को डाल रहे हैं।
शोधकर्ताओं ने कुछ अद्भुत पाया। इस विशिष्ट क्रिस्टल में, मैंगनीज परमाणु एक "दोहरा एजेंट" (double agent) की तरह कार्य करता है। इसका एक "न्यूक्लियर स्पिन" (सूचना भंडारण वाला हिस्सा) और एक "इलेक्ट्रॉन स्पिन" (सहायक हिस्सा) होता है। आमतौर पर, विद्युत क्षेत्र न्यूक्लियर स्पिन को अनदेखा कर देते हैं, लेकिन इस क्रिस्टल में, इलेक्ट्रॉन स्पिन बिजली के प्रति अत्यधिक संवेदनशील है। जब शोधकर्ताओं ने एक विद्युत क्षेत्र लागू किया, तो इलेक्ट्रॉन स्पिन बेतहाशा इधर-उधर कूदने लगा, और क्योंकि वह न्यूक्लियर स्पिन का हाथ मजबूती से थामे हुए था, उसने न्यूक्लियर स्पिन को भी अपने साथ खींच लिया। यह ऐसा ही था जैसे न्यूक्लियर स्पिन एक शर्मीला डांसर हो जिसने हिलने से मना कर दिया हो, लेकिन इलेक्ट्रॉन स्पिन एक ऊर्जावान साथी था जिसने उसका हाथ पकड़ा और उसे सहजता से घुमा दिया।
इस ट्रिक का उपयोग करके, टीम ने दिखाया कि वे बिना किसी चुंबक के, केवल एक एकल विद्युत क्षेत्र का उपयोग करके न्यूक्लियर स्पिन को नियंत्रित कर सकती है। उन्होंने इसे दो तरीकों से प्रदर्शित किया: एक "रेजोनेंट" (resonant) तरीका, जहाँ वे स्पिन को पलटने के लिए बिल्कुल सही लय में थपथपाते हैं, और एक "नॉन-रेजोनेंट" (non-resonant) तरीका, जहाँ वे स्पिन की दिशा को धीरे से घुमाने के लिए विद्युत क्षेत्र का उपयोग करते हैं। उन्होंने पाया कि यह विद्युत नियंत्रण पारंपरिक चुंबकीय तरीकों जितना ही तेज़ था, और कुछ मामलों में तो उससे भी तेज़ था।
पेपर ने यह भी खुलासा किया कि यह विधि उन्हें इन स्पिनों पर जटिल "गेट्स" (कंप्यूटर के लॉजिक ऑपरेशन्स) करने की अनुमति देती है। क्योंकि मैंगनीज न्यूक्लियस केवल दो अवस्थाओं (जैसे सिक्के का चित या पट) में ही नहीं रह सकता, इसलिए यह वास्तव में अधिक जानकारी रख सकता है, जो एक साधारण "क्यूबिट" (qubit) के बजाय एक "क्विडिट" (qudit) के रूप में कार्य करता है। इसका मतलब है कि एक एकल परमाणु संभावित रूप से कई परमाणुओं का काम कर सकता है, जिससे भविष्य के कंप्यूटर बहुत अधिक कुशल हो जाएंगे।
जबकि शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि स्पिन अंततः थक जाते हैं और घूमना बंद कर देते हैं (एक प्रक्रिया जिसे डिकोहेरेंस/decoherence कहा जाता है), उन्होंने दिखाया कि इसे सिस्टम को बहुत ठंडा रखकर ठीक किया जा सकता है। उन्होंने यह भी सुझाव दिया कि क्रिस्टल को अन्य शोर करने वाले परमाणुओं को हटाने के लिए साफ करके, स्पिन और भी लंबे समय तक सुसंगत (coherent) रह सकते हैं। अंततः, यह कार्य बताता है कि सही सामग्री चुनकर—जैसे कि ये विशेष ऑक्साइड—हम पूरी तरह से बिजली द्वारा नियंत्रित क्वांटम कंप्यूटर बना सकते हैं, जिससे उन्हें अगली पीढ़ी की तकनीक के लिए छोटा करना और वायर करना आसान हो जाएगा।
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