Field-Widened Multimode Interferometer with Long Time-Bin Delay Using a Multi-Pass Herriott Cell

कल्पना कीजिए कि आप प्रकाश की चमक (flashes of light) का उपयोग करके एक गुप्त संदेश भेजने की कोशिश कर रहे हैं। क्वांटम भौतिकी की दुनिया में, ये चमकें जानकारी को एक विशेष तरीके से ले जा सकती हैं जिसे "टाइम-बिन एनकोडिंग" (time-bin encoding) कहा जाता है, जहाँ संदेश इस बात में छिपा होता है कि चमक कब आती है, न कि केवल इसमें कि वह कितनी चमकीली है। यह आपके इंटरनेट के फाइबर ऑप्टिक केबलों के माध्यम से क्वांटम रहस्यों को भेजने के लिए एक पसंदीदा तकनीक है। लेकिन क्या होगा यदि आप इन रहस्यों को खुले आकाश के माध्यम से, जैसे कि एक उपग्रह से ग्राउंड स्टेशन तक भेजना चाहते हैं? यहीं पर चीजें जटिल हो जाती हैं। हवा अशांति (turbulence) से भरी होती है, जैसे गर्मियों की सड़क से उठती हुई गर्मी की लहरें, जो प्रकाश की किरण को विकृत कर देती हैं। यह एक डगमगी नाव पर खड़े होकर चलते हुए लक्ष्य पर लेजर पॉइंटर चलाने की कोशिश करने जैसा है।

इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिक आमतौर पर फैंसी, सक्रिय प्रणालियों (active systems) का उपयोग करते हैं जो एक "स्मार्ट मिरर" की तरह कार्य करती हैं ताकि वास्तविक समय में डगमगाहट को ठीक किया जा सके। लेकिन ये प्रणालियाँ भारी, जटिल होती हैं और कीमती प्रकाश संकेत का बहुत अधिक हिस्सा खो सकती हैं। एक सरल, "पैसिव" (passive) समाधान यह है कि एक विशेष प्रकार का लाइट स्प्लिटर (प्रकाश विभाजक) बनाया जाए जिसे इंटरफेरोमीटर (interferometer) कहते हैं, जो इतना सहिष्णु हो कि उसे प्रकाश की किरण के डगमगाने या विकृत होने से कोई फर्क न पड़े। चुनौती यह है कि इन "फील्ड-वाइडन" (field-widened) इंटरफेरोमीटरों को लंबे विलंब (long delays) के लिए काम करने के लिए, उन्हें आमतौर पर बहुत विशाल होना पड़ता है, जो एक पूरे कमरे जितनी जगह घेर लेते हैं, या उन्हें भारी, घने कांच से बनाना पड़ता है जिसे संभालना कठिन होता है।

यही वह पहेली है जिसे कनाडा के शोधकर्ताओं की एक टीम ने हल करने का प्रयास किया। वे एक ऐसा प्रकाश विभाजक यंत्र बनाना चाहते थे जो लंबे विलंब को संभाल सके, बिखरे हुए, विकृत प्रकाश बीमों के साथ काम कर सके, और फिर भी एक छोटे बॉक्स में समा सके। उन्होंने केवल इसके बारे में सपना नहीं देखा; उन्होंने एक प्रोटोटाइप बनाया और साबित किया कि यह काम करता है।

रमी टैनौस (Ramy Tannous) और सहयोगियों के नेतृत्व वाली टीम ने एक चतुर उपकरण डिजाइन किया जो एक "हेरियट सेल" (Herriott cell) का उपयोग करता है। एक हेरियट सेल को एक ऐसे प्रकाश जाल (light trap) के रूप में सोचें जिसमें दो घुमावदार दर्पण एक-दूसरे के सामने स्थित होते हैं। प्रकाश को सीधे आगे-पीछे टकराने देने के बजाय, वे दर्पणों को इस तरह व्यवस्थित करते हैं कि प्रकाश एक सर्पिल पैटर्न (spiral pattern) में टकराता है, और बाहर निकलने से पहले कई बार दर्पणों से टकराता है। यह एक पिनबॉल मशीन की तरह है जहाँ गेंद मेज पर दर्जनों बार उछलती है, जिससे वह एक बहुत लंबी दूरी तय करती है, जबकि वह एक छोटे, संक्षिप्त कमरे के भीतर ही रहती है।

प्रकाश के पथ को इस सर्पिल आकार में मोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक बड़ा विलंब (delay) पैदा करने में सफलता प्राप्त की—प्रकाश को 12 नैनोसेकंड (यानी 12 अरबवें सेकंड) तक इंतज़ार कराया—बिना किसी मीटर लंबे उपकरण की आवश्यकता के। आमतौर पर, 12 नैनोसेकंड के विलंब के लिए लगभग 3.6 मीटर के पथ अंतर (path length difference) की आवश्यकता होती है (चूंकि प्रकाश लगभग 30 सेंटीमीटर प्रति नैनोसेकंड की गति से चलता है)। इस मल्टी-पास (multi-pass) तकनीक का उपयोग करके, वे उस लंबी यात्रा को एक बहुत छोटे स्थान में समेटने में सफल रहे।

हालाँकि, असली जादू यह है कि यह कॉम्पैक्ट डिज़ाइन "फील्ड-वाइडन" (field-widened) भी है। सरल शब्दों में कहें तो, इसका अर्थ है कि यह उपकरण अविश्वसनीय रूप से सहिष्णु है। यदि प्रकाश की किरण एक थोड़े अजीब कोण पर प्रवेश करती है या वायुमंडल द्वारा विकृत होती है, तो भी यह उपकरण पूरी तरह से काम करता है। शोधकर्ताओं ने दो तरीकों से अपने उपकरण के माध्यम से प्रकाश भेजकर इसका परीक्षण किया: पहले एक आदर्श, चिकनी लेजर बीम के साथ, और दूसरे एक बिखरी हुई, "मल्टीमोड" (multimode) बीम के साथ जिसे अशांत वातावरण में यात्रा करने वाले प्रकाश की तरह दिखने के लिए बिखेरा गया था।

परिणाम प्रभावशाली थे। अपने सिमुलेशन और भौतिक प्रोटोटाइप के साथ, उपकरण ने बिखरी हुई बीम के साथ भी 0.9 से अधिक की "विजिबिलिटी" (visibility - एक माप कि प्रकाश तरंगें स्पष्ट संकेत बनाने के लिए कितनी अच्छी तरह से हस्तक्षेप करती हैं) बनाए रखी। जब उन्होंने एक वास्तविक लेजर के साथ परीक्षण किया, तो उन्होंने चिकने प्रकाश के लिए 0.97 और बिखरे हुए प्रकाश के लिए 0.95 की विजिबिलिटी मापी। यहाँ तक कि जब उन्होंने वास्तविक टाइम-बिन संदेश बनाने के लिए एक पल्स्ड लेजर (pulsed laser) का उपयोग किया और उन्हें एक लंबे, विकृत फाइबर ऑप्टिक केबल के माध्यम से अपने उपकरण तक भेजा, तब भी उन्होंने 0.88 की विजिबिलिटी हासिल की।

यह शोध पत्र स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज करता है कि लंबे विलंब और चौड़े स्वीकृति कोण (acceptance angles) प्राप्त करने के लिए विशाल, कमरे के आकार के सेटअप या भारी, घने पदार्थों की आवश्यकता होती है। उन्होंने दिखाया कि मानक, बिना सुधारात्मक इंटरफेरोमीटर (वे प्रकार जिन्हें विशेष दर्पणों के बिना उपयोग किया जाता है) बुरी तरह विफल हो जाते हैं जब प्रकाश का कोण थोड़ा भी बदलता है, जिससे सिग्नल गिर जाता है। हालाँकि, उनके हेरियट सेल डिजाइन ने आने वाले प्रकाश के कोण को झुकाने पर भी सिग्नल को मजबूत बनाए रखा।

वे अपने इन निष्कर्षों के बारे में बहुत आश्वस्त हैं क्योंकि उन्होंने केवल कंप्यूटर मॉडल पर भरोसा नहीं किया; उन्होंने मानक दर्पणों का उपयोग करके एक भौतिक प्रोटोटाइप बनाया और अलग-अलग रंगों (532 nm और 785 nm) पर वास्तविक लेजर के साथ इसका परीक्षण किया। हालांकि उन्होंने नोट किया कि पल्स्ड लेजर परीक्षण में निरंतर लेजर परीक्षण की तुलना में विजिबिलिटी थोड़ी कम हो गई—जो संभवतः उनके उपकरणों में छोटे असंतुलन या लंबे पथ नुकसान (path losses) के कारण है—उन्होंने पुष्टि की कि उपकरण सफलतापूर्वक 12-नैनोसेकंड का विलंब और बिखरी हुई प्रकाश स्थितियों को संभाल सकता है।

संक्षेप में, टीम ने एक "स्मार्ट" लाइट स्प्लिटर बनाने का तरीका प्रदर्शित किया जो एक उपग्रह पर फिट होने के लिए छोटा, वायुमंडल की अस्थिरता को झेलने के लिए मजबूत और क्वांटम रहस्यों को सुरक्षित रखने के लिए पर्याप्त तेज़ है। यह हवा के माध्यम से क्वांटम संचार को बहुत अधिक व्यावहारिक बनाने की दिशा में एक कदम है, जो यह सिद्ध करता है कि बड़ी वैज्ञानिक उपलब्धियों के लिए आपको एक विशाल मशीन की आवश्यकता नहीं है।