Controllable interaction between photons and distant spins via vacuum Rabi oscillations
यह शोध पत्र कई वैक्यूम रैबी ऑसिलेशन्स (vacuum Rabi oscillations) को इंजीनियर करके एक सुपरकंडक्टिंग कैविटी के माध्यम से दो दूरस्थ इलेक्ट्रॉन स्पिन क्वबिट्स के बीच ऊर्जा के नियंत्रणीय हस्तांतरण को प्रदर्शित करता है, जिससे सेमीकंडक्टर स्पिन क्वबिट्स को फोटोनिक लिंक्स के साथ इंटरफेस करने के लिए एक मौलिक आधार स्थापित होता है।
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ब्रह्मांड की कल्पना एक विशाल, अदृश्य डांस फ्लोर के रूप में करें जहाँ ऊर्जा संगीत है। क्वांटम भौतिकी की दुनिया में, सबसे रोमांचक नृत्य तब होता है जब दो बहुत अलग साथी मिलते हैं: एक "स्पिन", जो एक परमाणु के भीतर एक छोटे, घूमते हुए चुंबक की तरह है, और एक "फोटॉन", जो प्रकाश का एक एकल पैकेट है। आमतौर पर, ये दोनों एक-दूसरे से ज्यादा बात नहीं करते हैं। लेकिन यदि आप प्रकाश को एक विशेष बॉक्स (कैविटी) में कैद कर लें और स्पिन तथा प्रकाश को बिल्कुल एक ही गति पर कंपन कराएं, तो वे एक आदर्श, लयबद्ध आदान-प्रदान शुरू कर सकते हैं। वे ऊर्जा का आपस में लेन-देन करते हैं, जैसे दो बच्चे झूले पर एक-दूसरे को ऊँचा उछालने के लिए धक्का दे रहे हों। इसे "वैक्यूम रैबी ऑसिलेशन" कहा जाता है। वैज्ञानिक इस बात पर ध्यान देते हैं क्योंकि यह पदार्थ और प्रकाश के बीच का अंतिम 'हैंडशेक' (हाथ मिलाना) है। यदि हम इस नृत्य में महारत हासिल कर लेते हैं, तो हम एक "क्वांटम इंटरनेट" बना सकते हैं जहाँ सूचना प्रकाश के रूप में कंप्यूटरों के बीच उड़ती है, जो दूर स्थित छोटे प्रोसेसरों को जोड़ती है, ठीक वैसे ही जैसे डाक के माध्यम से पत्र भेजना लेकिन प्रकाश की गति से।
इस नए अध्ययन में, डेल्फ़्ट यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी और QuTech के शोधकर्ताओं ने यह देखने का निर्णय लिया कि क्या वे एक बहुत ही विशिष्ट सेटअप का उपयोग करके दो दूर स्थित साथियों के बीच इस नृत्य को संभव बना सकते हैं। उन्होंने सिलिकॉन और सुपरकंडक्टिंग धातु से बना एक छोटा उपकरण बनाया, जिसमें दो "डबल क्वांटम डॉट्स" (जो अनिवार्य रूप से सूक्ष्म पिंजरे हैं जो एकल इलेक्ट्रॉनों को थामे रखते हैं) थे, जो एक-दूसरे से 250 माइक्रोमीटर की दूरी पर स्थित थे—जो लगभग एक मानव बाल की चौड़ाई के बराबर है। ये पिंजरे एक सुपरकंडक्टिंग तार से जुड़े हुए हैं जो माइक्रोवेव फोटॉन के लिए एक राजमार्ग के रूप में कार्य करता है। टीम का लक्ष्य यह देखना था कि क्या वे एक इलेक्ट्रॉन स्पिन से ऊर्जा की एक इकाई ले सकते हैं, उसे एक फोटॉन में बदल सकते हैं, उसे तार के माध्यम से भेज सकते हैं, और फिर दूसरे इलेक्ट्रॉन को उसे पकड़कर वापस ऊर्जा में बदलने के लिए कह सकते हैं।
शोधकर्ताओं ने पाया कि वे वास्तव में ऐसा कर सकते थे। वोल्टेज पल्सों को सावधानीपूर्वक समयबद्ध करके, वे सिस्टम को चालू और बंद करने में सक्षम थे, जिससे पहले इलेक्ट्रॉन को माइक्रोवेव कैविटी के साथ "नाचने" की अनुमति मिली। उन्होंने ऊर्जा को कई बार आगे-पीछे बदलते देखा, जिससे पुष्टि हुई कि स्पिन और फोटॉन मजबूती से जुड़े हुए थे। नृत्य इतना मजबूत था कि वे इसे ठीक बीच में रोक सकते थे, जिससे ऊर्जा को कैविटी के भीतर एक एकल फोटॉन के रूप में प्रभावी रूप से कैद किया जा सका। फिर, उन्होंने दूसरे इलेक्ट्रॉन को नृत्य में शामिल होने दिया। जैसा कि अनुमान लगाया गया था, दूसरे इलेक्ट्रॉन ने फोटॉन को पकड़ा और उसकी ऊर्जा को अवशोषित कर लिया, जिससे एक दूर स्थित स्पिन से दूसरे तक ऊर्जा का स्थानांतरण पूरा हुआ।
यह साबित करने के लिए कि ऊर्जा वास्तव में एक एकल फोटॉन थी न कि केवल ऊर्जा का एक धुंधला बादल, टीम ने एक चतुर तरकीब अपनाई। उन्होंने दो उत्तेजित इलेक्ट्रॉनों से शुरुआत की और एक को कैविटी में बदल दिया, जिससे कैविटी में ठीक एक फोटॉन रह गया। जब उन्होंने दूसरे इलेक्ट्रॉन को इस "पूर्ण" कैविटी के साथ नाचने दिया, तो आदान-प्रदान की लय तेज हो गई। यह त्वरण एक ज्ञात संकेत है कि वहां एक एकल फोटॉन मौजूद है, जो पुष्टि करता है कि उन्होंने सफलतापूर्वक एक "फोक स्टेट" (Fock state) बना लिया था—एक ऐसी अवस्था जिसमें कणों की सटीक संख्या होती है। टीम ने इस गति-वृद्धि को मापा और गणना की कि इन परीक्षणों के दौरान कैविटी में औसतन लगभग 0.65 से 0.69 फोटॉन थे, जो आदर्श एकल फोटॉन के करीब है, हालांकि पूर्ण नहीं है।
पेपर यह भी नोट करता है कि हालांकि नृत्य सफल रहा, लेकिन यह पूरी तरह से सुचारू नहीं था। इलेक्ट्रॉनों ने अपने लय को सिलिकॉन चिप्स में वैज्ञानिकों द्वारा आमतौर पर देखे जाने वाले स्तर से थोड़ा तेज़ खो दिया, जिसका कारण संभवतः पृष्ठभूमि में अदृश्य विद्युत शोर था। हालाँकि, इस शोर के बावजूद वे कई दौर के दोलन (oscillation) देख सके, यह एक महत्वपूर्ण प्रगति है। शोधकर्ताओं का सुझाव है कि भविष्य के उपकरणों में स्वच्छ सामग्री और बेहतर इंजीनियरिंग के साथ, यह तरीका क्वांटम कंप्यूटरों को एक साथ जोड़ने का एक विश्वसनीय तरीका बन सकता है, जिससे इन छोटे सिलिकॉन स्पिनों को एक विशाल, प्रकाश-गति वाले नेटवर्क के नोड्स में बदला जा सके।
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