Always-on, highly efficient microwave photon detector based on a superconducting artificial molecule
यह शोध पत्र एक निरंतर संचालित, अत्यधिक कुशल माइक्रोवेव सिंगल-फोटॉन डिटेक्टर प्रस्तुत करता है जो एक सुपरकंडक्टिंग आर्टिफिशियल मॉलिक्यूल पर आधारित है, जो ब्राइट स्टेट में फोटॉन्स को कैप्चर करने और उन्हें लॉन्ग-लिव्ड डार्क स्टेट में क्वांटम जम्प्स के माध्यम से प्रकट करने के लिए एक ड्रिवन-डिसिपेटिव ट्रांसफर मैकेनिज्म का उपयोग करके डिटेक्शन एफिशिएंसी और ड्यूटी साइकिल के बीच पारंपरिक ट्रेड-ऑफ को दूर करता है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
क्वांटम भौतिकी की दुनिया की कल्पना एक विशाल, शांत महासागर के रूप में करें जहाँ ऊर्जा की नन्ही लहरें—जिन्हें फोटॉन कहा जाता है—प्रकाश की गति से यात्रा करती हैं। दृश्य प्रकाश (visible light) की दुनिया में, हमारे पास इन लहरों को पकड़ने के लिए बेहतरीन उपकरण हैं; हम उन्हें एक-एक करके गिन सकते हैं, जैसे बाल्टी में गिरती बारिश की बूंदों को पकड़ना। इस क्षमता ने हमें लेजर बनाने, सुरक्षित इंटरनेट कनेक्शन स्थापित करने और ब्रह्मांड के अजीब नियमों का परीक्षण करने में मदद की है। लेकिन एक अलग तरह का महासागर भी है: माइक्रोवेव क्षेत्र। यहाँ, ऊर्जा की लहरें बहुत कमजोर होती हैं, जैसे किसी चिल्लाहट की तुलना में एक बहुत ही धीमी फुसफुसाहट। एक एकल माइक्रोवेव फोटॉन को पकड़ना अविश्वसनीय रूप से कठिन है क्योंकि इसे पृष्ठभूमि के शोर (background noise) के साथ पहचानना या खो देना बहुत आसान है।
लंबे समय तक, वैज्ञानिकों को इन माइक्रोवेव फुसफुसाहटों के साथ एक निराशाजनक दुविधा का सामना करना पड़ा। उन्हें इन्हें पकड़ने के लिए ऐसे डिटेक्टर बनाने पड़ते थे जो एक धीमी शटर वाली कैमरा की तरह काम करते थे: वे एक तस्वीर ले सकते थे (एक फोटॉन का पता लगा सकते थे), लेकिन फिर उन्हें रुकना पड़ता था, रीसेट होना पड़ता था, और अगली तस्वीर लेने से पहले इंतजार करना पड़ता था। इसका मतलब था कि यदि कोई फोटॉन तब आया जब कैमरा रीसेट हो रहा था, तो वह हमेशा के लिए खो जाता था। यह एक समझौता था: आप फोटॉन को पकड़ने में बहुत अच्छे हो सकते थे जब आप देख रहे होते थे, लेकिन आप हर समय देख नहीं सकते थे। इसने उन चीजों का अध्ययन करना कठिन बना दिया जो यादृच्छिक (randomly) रूप से होती हैं, जैसे कि एक स्पिन-फ्लिपिंग परमाणु या एक रहस्यमय कण की खोज, क्योंकि जब आपका डिटेक्टर "पलक झपका" रहा होता था, तो आप कार्रवाई को मिस कर देते थे।
अब, चालर्स यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी (Chalmers University of Technology) के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नए प्रकार का डिटेक्टर बनाया है जो इस समस्या को हल करता है। उन्होंने एक ऐसा उपकरण बनाया है जो एक "सुपरकंडक्टिंग कृत्रिम अणु" (superconducting artificial molecule) की तरह कार्य करता है, जो दो जुड़े हुए क्वांटम सर्किटों से बनी एक सूक्ष्म मशीन है। तस्वीरें लेने और रीसेट होने के बजाय, यह मशीन हमेशा चालू रहती है, लगातार सुनती रहती है। यह कैसे काम करता है: कल्पना करें कि एक चमकदार, शोर वाला कमरा ( "सिमेट्रिक स्टेट") है जहाँ आने वाले माइक्रोवेव फोटॉन प्रवेश करते हैं। मशीन के पास एक विशेष ट्रैपडोर (trapdoor) है जो इन फोटॉनों को तुरंत एक शांत, अंधेरे क्लोजेट ("डार्क स्टेट") में धकेल देता है जहाँ वे छिपे और सुरक्षित रहते हैं। मशीन लगातार उस क्लोजेट पर नज़र रखती है। यदि कोई फोटॉन अंदर कूदता है, तो यह क्लोजेट की ऊर्जा में एक सूक्ष्म, पता लगाने योग्य "जंप" पैदा करता है, जैसे फर्श पर एक चूहे का दौड़ना। क्योंकि मशीन हमेशा देख रही होती है, इसलिए वह कभी भी किसी फोटॉन को मिस नहीं करती, भले ही वे यादृच्छिक रूप से आ रहे हों।
शोधकर्ताओं ने इस नए डिटेक्टर का परीक्षण किया और पाया कि यह उल्लेखनीय रूप से अच्छा काम करता है। जब उन्होंने इसे निरंतर मोड (continuous mode) में चलाया, तो इसने टकराने वाले फोटॉनों में से 47% को सफलतापूर्वक पकड़ा, जिसमें गलत सूचनाओं (जिसे "डार्क काउंट्स" कहा जाता है) की दर केवल 1.3 हजार प्रति सेकंड थी। यह 1 माइक्रोसेकंड की सटीकता के साथ बता सकता है कि कब एक फोटॉन आया, और इसे अगले के लिए तैयार होने से पहले रीसेट होने के लिए केवल 15 माइक्रोसेकंड की आवश्यकता होती है। यह एक बड़ी बात है क्योंकि यह साबित करता है कि हम अंततः एक ऐसा डिटेक्टर प्राप्त कर सकते हैं जो कुशल भी हो और हमेशा सक्रिय भी हो। हालांकि वर्तमान संस्करण अभी भी कुछ फोटॉनों को चूक जाता है क्योंकि मशीन जिस तरह से बनी है, यह एक सीमा है, लेकिन टीम ने दिखाया कि यह विचार की मौलिक सीमा नहीं है, बल्कि केवल एक बाधा है जिसे वे भविष्य के डिजाइनों में ठीक कर सकते हैं। दक्षता और "हमेशा चालू" रहने के बीच के पुराने समझौते को पार करके, यह नया उपकरण बेहतर क्वांटम सेंसर, अधिक शक्तिशाली क्वांटम कंप्यूटर और भौतिकी के मौलिक नियमों में गहरे प्रयोगों के द्वार खोलता है।
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