Entanglement distribution and quantum storage of more than 8000 modes over a metropolitan network
यह शोध पत्र एक मल्टीमोड दुर्लभ-पृथ्वी-आयन मेमोरी (rare-earth-ion memory) का उपयोग करने वाले क्वांटम रिपीटर नोड को प्रदर्शित करता है जो 8,000 से अधिक टेम्पोरल मोड्स (temporal modes) को संग्रहीत करते हुए एक मेट्रोपॉलिटन फाइबर नेटवर्क के माध्यम से सफलतापूर्वक एंटैंगलमेंट वितरित करता है, जो व्यावहारिक, उच्च-क्षमता वाले क्वांटम संचार की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है।
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कल्पना कीजिए कि इंटरनेट प्रकाश की गति से दौड़ती सूचनाओं का एक विशाल, हलचल भरा राजमार्ग है। अब, एक पूरी तरह से नए प्रकार के ट्रैफ़िक के लिए सुपर-हाइवे बनाने की कल्पना करें: "क्वांटम" सूचना। यह केवल ईमेल को तेज़ी से भेजने के बारे में नहीं है; यह एक ऐसा नेटवर्क बनाने के बारे में है जो मौलिक रूप से अनहैक करने योग्य (unhackable) हो और उन समस्याओं को हल करने में सक्षम हो जिन्हें आज के सुपरकंप्यूटरों को हल करने में लाखों साल लग जाएंगे। इसे साकार करने के लिए, वैज्ञानिक "क्वांटम रिपीटर्स" बनाने की कोशिश कर रहे हैं। इन्हें एक लंबी सड़क यात्रा पर मिलने वाले विश्राम स्थलों (rest stops) की तरह समझें। क्योंकि क्वांटम सिग्नल अविश्वसनीय रूप से नाजुक होते हैं, वे फीके पड़े बिना या खोए बिना बहुत दूर तक नहीं जा सकते। एक रिपीटर सिग्नल को पकड़ता है, उसे सुरक्षित रूप से संग्रहीत करता है, और फिर उसे अपने रास्ते पर अगले पड़ाव के लिए भेज देता है। लेकिन पेचीदा हिस्सा यह है कि सिग्नल इतनी तेज़ी से चलता है कि जब तक रिपीटर यह समझ पाता है कि इसे कैसे संग्रहीत किया जाए, तब तक सिग्नल पहले ही आगे निकल चुका होता है। इसे ठीक करने के लिए, रिपीटर में एक साथ कई सिग्नलों को पकड़ने में सक्षम होने की आवश्यकता है, जैसे कि एक जाल जो सिर्फ एक मछली के बजाय मछलियों के पूरे झुंड को एक साथ पकड़ सके। इसे "मल्टीप्लेक्सिंग" (multiplexing) कहा जाता है, और यही वह गुप्त सूत्र है जिसकी आवश्यकता एक वास्तविक, काम करने वाले क्वांटम इंटरनेट को बनाने के लिए है।
इस रोमांचक नए अध्ययन में, स्विट्जरलैंड और फिनलैंड के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन उच्च-तकनीकी विश्राम स्थलों में से एक का प्रोटोटाइप बनाया और वास्तविक दुनिया में इसका परीक्षण किया। उन्होंने एक विशेष "क्वांटम मेमोरी" बनाई जो दुर्लभ-पृथ्वी आयनों (विशेष रूप से इटरबियम-171) से युक्त एक क्रिस्टल से बनी है। आप इस क्रिस्टल को एक जादुई स्पंज के रूप में देख सकते हैं जो प्रकाश कणों (फोटोन) को सोख सकता है और उन्हें वापस छोड़ने से पहले एक सेकंड के सूक्ष्म अंश के लिए उन्हें रोक कर रख सकता है। टीम ने केवल एक फोटोन को संग्रहीत नहीं किया; वे एक ही समय में हजारों को संग्रहीत करने में सफल रहे, प्रभावी रूप से एक एकल-लेन वाली सड़क को एक विशाल बहु-लेन सुपरहाइवे में बदल दिया।
शोधकर्ताओं ने अपने प्रयोग को दो तरीकों से स्थापित किया। सबसे पहले, उन्होंने अपनी लैब में, फाइबर ऑप्टिक केबल के एक लंबे कुंडल (25.3 किलोमीटर) के माध्यम से एक फोटोन भेजा और उसके साथी फोटोन को अपने क्रिस्टल मेमोरी में संग्रहीत किया। उन्होंने सिद्ध किया कि दोनों फोटोन "एंटैंगल्ड" (entangled) रहे—एक रहस्यमयी क्वांटम संबंध जहाँ वे दूरी के बावजूद एक साझा भाग्य साझा करते हैं—भले ही उन्हें संग्रहीत किया गया हो। लेकिन असली जादू तब हुआ जब वे इस सेटअप को अपनी लैब से बाहर निकालकर जेनेवा शहर में ले गए। उन्होंने अपनी क्वांटम मेमोरी को एक अलग विश्वविद्यालय भवन में स्थित डिटेक्टर से एक वास्तविक शहर के फाइबर ऑप्टिक नेटवर्क के 5.66 किलोमीटर लंबे हिस्से का उपयोग करके जोड़ा।
परिणाम प्रभावशाली थे। लैब में, उन्होंने एक साथ 16,340 अलग-अलग "टाइम स्लॉट्स" (या मोड) में सफलतापूर्वक एंटैंगलमेंट को संग्रहीत और पुनः प्राप्त किया। जब वे अपने सेटअप को शहर के नेटवर्क में ले गए, तो वे अभी भी 63 माइक्रोसेकंड के लिए 8,235 मोड को सफलतापूर्वक संग्रहीत करने में सक्षम रहे। इसे समझने के लिए, पिछले प्रयोगों में केवल कुछ दर्जन या शायद कुछ सौ मोड ही संग्रहीत हो पाए थे। "श्मिट डिकंपोजिशन" (Schmidt decomposition) नामक एक गणितीय उपकरण का उपयोग करके, टीम ने दिखाया कि उनकी मेमोरी एक साथ इस विशाल मात्रा में डेटा को संभालने में अविश्वसनीय रूप से कुशल है। उन्होंने यह भी पुष्टि की कि एंटैंगलमेंट ने शहर के केबलों के माध्यम से अपनी यात्रा को सफलतापूर्वक पूरा किया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि यह तकनीक नियंत्रित लैब वातावरण के बाहर भी काम कर सकती है।
हालाँकि यह अभी एक पूरी तरह से कार्यात्मक क्वांटम इंटरनेट नहीं है, लेकिन यह एक बड़ी छलांग है। शोध पत्र सुझाव देता है कि इस विशिष्ट प्रकार के क्रिस्टल और मेमोरी तकनीक का उपयोग करके, हम क्वांटम नेटवर्किंग की सबसे बड़ी बाधा को पार कर सकते है: गति की सीमा जो प्रकाश के यात्रा करने के समय के कारण होती है। शोधकर्ता नोट करते हैं कि जबकि उनका वर्तमान सिस्टम एक बहुत बड़ा सुधार है, अभी भी बढ़ने की गुंजाइश है। वे बताते हैं कि मेमोरी के "होल्डिंग टाइम" (पकड़ कर रखने के समय) को माइक्रोसेकंड से मिलीसेकंड तक बढ़ाया जा सकता है, और दक्षता को और बढ़ाया जा सकता है। फिलहाल के लिए, हालांकि, उन्होंने यह प्रदर्शित किया है कि एक ऐसा क्वांटम रिपीटर नोड बनाना संभव है जो एक साथ हजारों क्वांटम सिग्नलों को पकड़ सकता है, रोक सकता है और छोड़ सकता है, जो एक ऐसे भविष्य का मार्ग प्रशस्त करता है जहाँ क्वांटम संचार केवल एक सपना नहीं, बल्कि वास्तविकता बनकर हमारे पैरों के नीचे शहर के फाइबर केबलों में दौड़ रहा है।
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