Chiral Nonlinear Optics and Optical Control

प्रकाश आमतौर पर एक निश्चित निष्पक्षता के साथ व्यवहार करता है। यदि आप प्रकाश की एक किरण को दर्पण या लेंस के माध्यम से भेजते हैं, तो प्रकाश के पथ को नियंत्रित करने वाला भौतिक विज्ञान उसी तरह काम करता है जैसे कि प्रकाश आगे या पीछे यात्रा कर रहा हो। 'पारस्परिकता' (reciprocity) के रूप में ज्ञात यह सिद्धांत बताता है कि अधिकांश सामग्रियों में, प्रकाश को भारी चुंबकों या जटिल यांत्रिक भागों का उपयोग किए बिना केवल एक दिशा में जाने के लिए मजबूर नहीं किया जा सकता है। हालाँकि, क्वांटम भौतिकी की सूक्ष्म दुनिया में, जहाँ प्रकाश के व्यक्तिगत कण एकल परमाणुओं के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, इस नियम को तोड़ा जा सकता है। वैज्ञानिकों ने खोजा है कि एक छोटा क्वांटम उत्सर्जक (quantum emitter)—एक ऐसी प्रणाली जो केवल दो ऊर्जा अवस्थाओं में रह सकती है, जैसे कि एक सरल परमाणु—को एक विशेष वेवगाइड (waveguide) के पास रखकर, वे उत्सर्जक को केवल एक दिशा में चलने वाले प्रकाश से बात करने के लिए मजबूर कर सकते हैं। 'काइरल क्वांटम ऑप्टिक्स' (chiral quantum optics) नामक यह घटना, प्रकाश के लिए एकतरफा रास्तों के निर्माण की अनुमति देती है, जो भविष्य के क्वांटम नेटवर्क और कंप्यूटर बनाने के लिए आवश्यक है। जबकि शोधकर्ता लंबे समय से यह जानते थे कि प्रकाश के एक ही रंग के साथ इस एकतरफा प्रभाव को कैसे प्राप्त किया जाए, एक नया अध्ययन इस बात की जांच करता है कि क्या होता है जब प्रकाश के दो अलग-अलग रंगों एक ही समय में एक ही उत्सर्जक के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, जो एक छिपी हुई जटिलता को प्रकट करता है जो सूक्ष्म स्तर पर प्रकाश को नियंत्रित करने के हमारे तरीके को बदल देता है।

हाल ही में एक अध्ययन में, कनाडा के क्वीन यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने एक नया गणितीय मॉडल विकसित किया है ताकि यह समझा जा सके कि प्रकाश की दो अलग-अलग किरणें—एक मजबूत और एक बहुत कमजोर—वेवगाइड के भीतर एक एकल क्वांटम उत्सर्जक से टकराने पर कैसा व्यवहार करती हैं। मजबूत किरण एक नियंत्रण (control) के रूप में कार्य करती है, जबकि कमजोर किरण एक संकेत (signal) के रूप में कार्य करती है। पिछले प्रयोगों और सिद्धांतों में, वैज्ञानिक अक्सर यह मान लेते थे कि इन दोनों किरणों के बीच की परस्पर क्रिया सीधी थी, जैसे कि दो तरंगें एक सममित वातावरण में बस जुड़ सकती हैं या एक-दूसरे को रद्द कर सकती हैं। शोधकर्ताओं ने इस धारणा को चुनौती दी। उन्होंने पाया कि जब उत्सर्जक एक काइरल सेटअप में होता है, जहाँ यह केवल एक दिशा में चलने वाले प्रकाश के साथ जुड़ता है, तो परस्पर क्रिया कहीं अधिक जटिल हो जाती है। मजबूत नियंत्रण किरण केवल वहां मौजूद नहीं रहती; वह कमजोर संकेत किरण के गुजरने के तरीके को सक्रिय रूप से नया आकार देती है। 'ग्रीन्स टेंसर फॉर्मलिज्म' (Green's Tensor formalism) नामक एक विशिष्ट गणितीय दृष्टिकोण का उपयोग करके, टीम अपने गणनाओं में नियंत्रण किरण के प्रभावों को संकेत किरण से अलग करने में सक्षम रही, जो एक ऐसा कदम था जिसे पिछले मॉडल अक्सर छोड़ देते थे। इसने उन्हें परस्पर क्रिया की वास्तविक शक्ति को देखने की अनुमति दी, जो पिछले अनुमानों में नियंत्रण फोटॉनों की उपस्थिति के कारण ओझल हो गई थी।

इन सिमुलेशन के परिणाम चौंकाने वाले हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि मजबूत नियंत्रण किरण को संशोधित करके, वे कमजोर संकेत किरण को नियंत्रित कर सकते हैं, जिसमें उत्सर्जक की प्रतिक्रिया लेने के समय के दौरान औसतन एक से भी कम फोटॉन होता है। एक मानक, सममित सेटअप में जहाँ उत्सर्जक दोनों दिशाओं में प्रकाश से बात करता है, संकेत को बदलने की क्षमता सीमित होती है। लेकिन एक काइरल सेटअप में, टीम ने भविष्यवाणी की कि वे संकेत के पूर्ण अवरोध, जिसे 'यूनिटी एक्सट्रिक्शन' (unity extinction) कहा जाता है, या संकेत को 30 प्रतिशत तक बढ़ा भी सकते हैं। यह प्रवर्धन (amplification) उस तुलना में लगभग सौ गुना अधिक शक्तिशाली है जैसा कि मानक मॉडल भविष्यवाणी करते हैं जब नियंत्रण फोटॉन अभी भी माप में मौजूद होते हैं। इसके अलावा, टीम ने दिखाया कि वे संकेत प्रकाश के 'फेज' (phase)—यानी इसकी तरंग के शिखर और गर्त के समय—को शून्य से 180 डिग्री के बीच कहीं भी बदलकर ट्यून कर सकते हैं। यह फेज शिफ्ट क्वांटम लॉजिक गेट्स के लिए एक महत्वपूर्ण उपकरण है, जो क्वांटम कंप्यूटरों के निर्माण खंड हैं। महत्वपूर्ण रूप से, अध्ययन सुझाव देता है कि ये प्रभाव 'रोबस्ट' (robust) हैं, जिसका अर्थ है कि वे तब भी बने रहते हैं जब उत्सर्जक दोषपूर्ण हो या पर्यावरण में कुछ शोर (noise) हो, जो वास्तविक दुनिया के क्वांटम उपकरणों में एक सामान्य समस्या है।

अध्ययन ने इन प्रभावों को मापने में एक व्यावहारिक बाधा को भी संबोधित किया। एक वास्तविक प्रयोग में, संकेत प्रकाश और मजबूत नियंत्रण किरण से बिखरे हुए प्रकाश के बीच अंतर करना कठिन होता है, क्योंकि वे अक्सर आपस में मिल जाते हैं। शोधकर्ताओं ने नियंत्रण फोटॉनों को गणितीय रूप से फ़िल्टर करने का एक तरीका विकसित किया, जिससे संकेत की शुद्ध गतिशीलता प्रकट हुई। जब उन्होंने ऐसा किया, तो उन्होंने पाया कि संकेत का व्यवहार पहले की तुलना में बहुत अधिक नाटकीय था। सममित ज्यामिति (symmetric geometries) में, संकेत का संचरण केवल थोड़ा बदलता है, लेकिन काइरल ज्यामिति में, परिवर्तन गहरे होते हैं। टीम ने देखा कि प्रकाश और उत्सधर के बीच विनाशकारी हस्तक्षेप (destructive interference) संकेत को ऐसी स्थिति में धकेल सकता है जहाँ वह लगभग पूरी तरह से अवरुद्ध हो जाता है, या इसके विपरीत, काफी बढ़ जाता है। उन्होंने यह भी नोट किया कि जबकि संकेत की तीव्रता को नियंत्रित किया जा सकता था, प्रकाश का फेज स्थिर और ट्यून करने योग्य बना रहा, जो क्वांटम सूचना को निर्देशित करने का एक विश्वसनीय तरीका प्रदान करता है।

यह कार्य इलेक्ट्रॉनिक स्विच या चुंबकीय क्षेत्रों की आवश्यकता के बिना, प्रकाश से प्रकाश को नियंत्रित करने का एक नया मार्ग खोलता है। यह प्रदर्शित करके कि एक एकल क्वांटम उत्सर्जक, एक मजबूत नियंत्रण किरण द्वारा निर्देशित होने पर, एक कमजोर संकेत किरण के लिए एक शक्तिशाली, ट्यून करने योग्य स्विच के रूप में कार्य कर सकता है, शोधकर्ताओं ने कुशल 'ऑल-ऑप्टिकल कंट्रोल' के लिए एक ब्लूप्रिंट प्रदान किया है। इतने कम फोटॉनों के साथ इतने मजबूत गैर-रेखीय (nonlinear) प्रभावों को प्राप्त करने की क्षमता यह सुझाव देती है कि भविष्य के क्वांटम नेटवर्क ऐसे घटकों के साथ बनाए जा सकते हैं जो छोटे, तेज़ और अधिक ऊर्जा-कुशल हों। निष्कर्ष बताते हैं कि काइरल प्रकृति केवल क्वांटम यांत्रिकी की एक जिज्ञासा नहीं है, बल्कि एक कार्यात्मक लाभ है जिसे अगली पीढ़ी की फोटोनिक प्रौद्योगिकियों के निर्माण के लिए उपयोग किया जा सकता है। अध्ययन का निष्कर्ष है कि इन जटिल, बहु-रंगीन परस्पर क्रियाओं को समझकर और उनका उपयोग करके, वैज्ञानिक पूरी तरह से प्रकाश के साथ संचालित होने वाले विश्वसनीय क्वांटम लॉजिक गेट्स और नेटवर्क को साकार करने के करीब पहुँच सकते हैं।