Suppressing Cavity Frequency Noise Using a Kerr Nonlinearity

कल्पना कीजिए कि आप एक अशांत, हवादार जंगल के बीच में एक नन्ही, फुसफुसाती हुई चिड़िया को सुनने की कोशिश कर रहे हैं। क्वांटम भौतिकी की दुनिया में, वैज्ञानिक सुपरकंडक्टिंग माइक्रोवेव कैविटीज़ का उपयोग करते हैं—जो मूल रूप से उच्च तकनीक वाले, अदृश्य घंटों की तरह हैं—ताकि वे ब्रह्मांड की सबसे छोटी चीजों को "सुन" सकें, जैसे कि व्यक्तिगत परमाणु या सूक्ष्म यांत्रिक कंपन। ये कैविटीज़ अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील होती हैं; इन्हें एक बहुत ही विशिष्ट पिच (स्वर) पर बजने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यदि पिच में थोड़ा सा भी बदलाव आता है, तो यह वैज्ञानिकों को बताता है कि कुछ दिलचस्प हो रहा है।

हालाँकि, एक समस्या है। जिस तरह एक वास्तविक घंटी डगमगा सकती है यदि ज़मीन हिल जाए या हवा चले, इन क्वांटम कैविटीज़ को भी "शोर" (नॉइज़) से जूझना पड़ता है। कंपन, चुंबकीय झटके और अन्य पर्यावरणीय हलचलें कैविटी की पिच को अनियंत्रित रूप से डगमगा देती हैं। जब पिच बहुत अधिक डगमगाती है, तो क्वांटम सिग्नल की सूक्ष्म फुसफुसाहट को सुनना असंभव हो जाता है, और पूरा प्रयोग विफल हो जाता है। वर्षों से, वैज्ञानिकों ने इसे जटिल, सक्रिय प्रणालियाँ बनाकर ठीक करने की कोशिश की है जो लगातार पिच को मापती हैं और उसे मैन्युअल रूप से समायोजित करती हैं, जैसे कि एक संगीतकार सोलो बजाते समय पागलों की तरह गिटार को ट्यून करने की कोशिश कर रहा हो। लेकिन यह शोध पत्र एक चतुर, निष्क्रिय (पैसिव) तरकीब पेश करता है: शोर से लड़ने के लिए एक जटिल मशीन बनाने के बजाय, वे कैविटी के अपने आंतरिक "व्यक्तित्व" का उपयोग करके इसे खुद को शांत करने के लिए करते हैं।

स्व-स्थिरता का जादुई करतब

इस अध्ययन में, डेल्फ़्ट यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी और यूनिवर्सिटी ऑफ कैलगरी के शोधकर्ताओं ने एक तरीका खोजा जिससे वे एक शोर करने वाली क्वांटम कैविटी को "केर लॉकिंग" (Kerr locking) नामक घटना का उपयोग करके खुद को स्थिर कर सकते हैं। कैविटी को केवल एक घंटी के रूप में नहीं, बल्कि एक ऐसी घंटी के रूप में सोचें जो इस आधार पर अपना आकार बदल लेती है कि उसे कितनी ज़ोर से मारा गया है। यह "केर नॉनलिनियरी" (Kerr nonlinearity) है। आमतौर पर, यह एक बाधा है, लेकिन टीम ने इसे एक सुपरपावर में बदलने का तरीका खोज लिया है।

उन्होंने एक विशेष प्रयोग सेटअप किया जहाँ उन्होंने कैविटी को एक मजबूत, स्थिर स्वर (पंप) के साथ पंप किया जो कैविटी की प्राकृतिक आवृत्ति (फ्रीक्वेंसी) से थोड़ा अलग था। कैविटी के अद्वितीय व्यक्तित्व के कारण, यह मजबूत पंप कैविटी के रेजोनेंस का एक नया, "ड्रेस्ड" (dressed) संस्करण बनाता है। यहाँ जादू है: यदि वातावरण कैविटी की आवृत्ति को हिलाने की कोशिश करता है, तो कैविटी के भीतर फंसी ऊर्जा की मात्रा बदल जाती है। केर प्रभाव के कारण, ऊर्जा में यह परिवर्तन आवृत्ति को विपरीत दिशा में वापस स्थानांतरित कर देता है, जो प्रभावी रूप से झटके को रद्द कर देता है। यह एक स्व-संतुलित स्कूटर की तरह है जिसे सीधा रहने के लिए कंप्यूटर की आवश्यकता नहीं है; यदि यह झुकने लगता है, तो इसका अपना वजन वितरण तुरंत सुधार करता है।

उन्होंने क्या पाया

टीम ने इसका परीक्षण दो चिप्स से बने एक उपकरण पर किया जो एक साथ रखे गए थे, जिसमें एक सूक्ष्म झिल्ली (मेम्ब्रेन) और एक सुपरकंडक्टिंग सर्किट था। उन्होंने जानबूझकर पर्यावरणीय शोर के कारण कैविटी की प्राकृतिक आवृत्ति को बेतहाशा उतार-चढ़ाव के लिए छोड़ दिया। जब उन्होंने अपना "केर लॉक" लागू करने के लिए मजबूत पंप टोन चालू किया, तो परिणाम नाटकीय थे।

लॉक से पहले, कैविटी की आवृत्ति लगभग 23.2 MHz (मेगाहर्ट्ज़) तक उछल रही थी। यह एक अराजक स्थिति थी, जो कैविटी की प्राकृतिक "चौड़ाई" के 7.6 MHz से कहीं अधिक थी, जिससे स्पष्ट रीडिंग लेना असंभव था। केर लॉकिंग तंत्र को सक्रिय करने के बाद, आवृत्ति का उतार-चढ़ाव घटकर केवल 297 kHz रह गया। यह लगभग दो क्रमों (orders of magnitude) की कमी है। कैविटी एक डगमगाते, अविश्वसनीय वाद्य यंत्र से बदलकर एक चट्टान जैसी स्थिर मशीन बन गई, जहाँ बचा हुआ एकमात्र शोर स्वयं उपकरणों की मौलिक "सरसराहट" (जिसे 1/f शोर के रूप में जाना जाता है) थी, न कि पर्यावरणीय अराजकता।

यह कैसे काम करता है और क्यों महत्वपूर्ण है

शोधकर्ताओं ने इसे वास्तविक समय में देखने के लिए "टू-टोन स्पेक्ट्रोस्कोपी" नामक तकनीक का उपयोग किया। उन्होंने देखा कि जब पंप पावर कम थी, तब कैविटी अभी भी शोर भरी थी। लेकिन जैसे ही उन्होंने अपनी पंप पावर को एक विशिष्ट बिंदु (लगभग -20.0 dBm) तक बढ़ाया, सिस्टम अचानक "लॉक" हो गया। शोर केवल शांत नहीं हुआ; कैविटी एक नई अवस्था में प्रवेश कर गई जहाँ इसकी आवृत्ति स्व-सुधारात्मक (self-correcting) हो गई।

शोध पत्र बताता है कि यह इसलिए काम करता है क्योंकि पंप दो नए "भूतिया" आवृत्तियों (जिन्हें बोगोलोव मोड कहा जाता है) का निर्माण करता है जो पंप टोन के चारों ओर सममित (सिमेट्रिकल) होते हैं। जब सिस्टम सही अवस्था में होता है, तो आवृत्ति को स्थानांतरित करने का कोई भी प्रयास कैविटी के भीतर फोटॉन (प्रकाश कणों) की संख्या में परिवर्तन लाता है। यह परिवर्तन एक प्रति-बल (counter-force) पैदा करता है जो आवृत्ति को वापस उसकी जगह पर धकेलता है। यह एक निष्क्रिय फीडबैक लूप है जिसके लिए किसी बाहरी कंप्यूटर, किसी सेंसर या मैन्युअल समायोजन की आवश्यकता नहीं होती है।

भविष्य के लिए इसका क्या अर्थ है

लेखक सावधानी बरतते हुए उल्लेख करते हैं कि हालांकि यह विधि धीमी, कम-आवृत्ति वाले शोर (जैसे डगमगाती मेज के धीमे बहाव) को दबाने के लिए अविश्वसनीय रूप से प्रभावी है, लेकिन यह सब कुछ नहीं रोकती है। वास्तव में, गणित बताता है कि यदि आप कैविटी को बहुत तेज़ी से हिलाने की कोशिश करते हैं (कैविटी की प्राकृतिक लाइनविड्थ से तेज़), तो केर लॉकिंग उन तेज़ गतिविधियों को वास्तव में बढ़ा सकती है। यह कोई त्रुटि नहीं है; यह एक विशेषता (feature) हो सकती है। यह सुझाव देता है कि इस तकनीक का उपयोग बहुत तेज़ी से चलने वाले यांत्रिक संकेतों का पता लगाने के लिए अति-संवेदनशील डिटेक्टर बनाने के लिए किया जा सकता है, जो भविष्य के क्वांटम उपकरणों में सूक्ष्म बलों या कंपनों का पता लगाने में मदद कर सकता है।

यह दृष्टिकोण क्वांटम कंप्यूटरों (क्यूबिट्स) को पढ़ने, चुंबकीय क्षेत्रों का पता लगाने या सूक्ष्म यांत्रिक गतिविधियों को मापने जैसे कार्यों के लिए स्थिर सेंसर बनाने का एक नया तरीका प्रदान करता है। शोर से लड़ने के लिए कैविटी की अपनी नॉनलिनियर प्रकृति का उपयोग करके, वैज्ञानिक सरल, अधिक मजबूत क्वांटम उपकरण बना सकते हैं जिन्हें ट्रैक पर रहने के लिए जटिल, भारी नियंत्रण प्रणालियों की आवश्यकता नहीं होगी। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि सही सेटअप के साथ, एक शोर करने वाली क्वांटम प्रणाली खुद को स्थिर करना सीख सकती है।