Sub-cycle metrology of bright quantum light

प्रकाश की दुनिया में, हम अक्सर फोटॉन को ऊर्जा के छोटे, अलग-अलग पैकेटों के रूप में देखते हैं, जैसे रेत के कण। जब इन कणों को एक बॉक्स के भीतर, जैसे कि लेजर कैविटी के अंदर, कैद किया जाता है, तो वे एक बहुत ही व्यवस्थित तरीके से व्यवहार करते हैं, जिससे एक अनुमानित लय बनती है जो बार-बार दोहराई जाती है। दशकों से, वैज्ञानिकों ने इन कणों के तरंग चक्रों (वेव साइकल) के कई चक्रों पर उनके औसत व्यवहार को मापकर इस प्रकाश का अध्ययन किया है। यह दृष्टिकोण कई चीजों के लिए अच्छा काम करता है, लेकिन यह एक महत्वपूर्ण विवरण को छिपा देता है: एक चक्र और अगले के बीच के उस एक सेकंड के हिस्से में क्या होता है। उस अविश्वसनीय गति पर जहाँ प्रकाश पदार्थ के साथ अंतःक्रिया करता है, विशेष रूप से जब प्रकाश तीव्र होता है, तो कहानी बदल जाती है। प्रकाश का विद्युत क्षेत्र केवल औसत नहीं होता; यह एक एकल चक्र के भीतर जंगली और यादृच्छिक (रैंडम) रूप से उतार-चढ़ाव करता है। इन क्षणिक क्षणों को समझना यह अनलॉक करने के लिए आवश्यक है कि प्रकाश कैसे सामग्रियों में इलेक्ट्रॉनों को नियंत्रित कर सकता है या प्रकाश के नए रूप उत्पन्न कर सकता है, लेकिन अब तक, ये सब-साइकिल घटनाएं हमारे उपकरणों के लिए अदृश्य थीं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन छिपे हुए क्षणों को पकड़ लिया है, जिससे यह पता चला है कि चमकीला क्वांटम प्रकाश एक सुचारू नदी की तरह नहीं बहता, बल्कि अराजक, समय-सीमित विस्फोटों की एक श्रृंखला के रूप में फूटता है। एक तकनीक का उपयोग करके जिसे एटोसेकंड विज्ञान के क्षेत्र से अनुकूलित किया गया है, उन्होंने 'ब्राइट स्क्वीज्ड वैक्यूम' नामक एक विशेष प्रकार के प्रकाश के विद्युत क्षेत्र को मापा। यह प्रकाश एक क्रिस्टल के भीतर लेजर पल्स को विभाजित करके उत्पन्न किया जाता है, जिससे एक ऐसी स्थिति बनती है जहाँ फोटॉनों की संख्या बेतहाशा घटती-बढ़ती रहती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस प्रकाश के प्रत्येक पल्स के भीतर, ऊर्जा एक एकल, निरंतर तरंग के रूप में नहीं आती है। इसके बजाय, यह स्वतंत्र विस्फोटों के एक संग्रह के रूप में दिखाई देती है, जिनमें से प्रत्येक कुछ फेम्टोसेकंड तक रहता है। एक फेम्टोसेकंड एक क्वाड्रिलियनवां सेकंड है, एक ऐसा समय पैमाना जो इतना संक्षिप्त है कि प्रकाश इस अवधि के दौरान केवल कुछ माइक्रोमीटर यात्रा करता है। ये विस्फोट स्टोकेस्टिक (यादृच्छिक) हैं, जिसका अर्थ है कि वे बेतरतीब ढंग से होते हैं, और उनके चरण (फेज)—उनके शिखर और घाटियों का समय—दो मानों के बीच अप्रत्याशित रूप से बदलते रहते हैं।

इसे देखने के लिए, टीम ने ब्राइट स्क्वीज्ड वैक्यूम को एक सुसंगत संदर्भ पल्स (कोहेरेंट रेफरेंस पल्स) के साथ एक मानक सिलिकॉन कैमरा सेंसर पर ओवरलैप किया। चूंकि सिलिकॉन उपयोग किए गए प्रकाश के विशिष्ट रंग के लिए पारदर्शी है, इसलिए शोधकर्ताओं ने एक गैर-रेखीय प्रभाव (नॉनलीनियर इफेक्ट) पर भरोसा किया जहाँ दो बीम एक मानक सेंसर में अस्थायी रूप से विद्युत वाहक (इलेक्ट्रिकल कैरियर) उत्पन्न करने के लिए परस्पर क्रिया करती हैं। यह अंतःक्रिया केवल समय की एक बहुत छोटी खिड़की के भीतर हुई, जो प्रभावी रूप से एक उच्च-गति वाले शटर की तरह कार्य करती है जिसने प्रकाश तरंग की गति को स्थिर कर दिया। बीमों को थोड़ा झुकाकर ताकि वे कैमरा सेंसर के स्थानिक आयामों (स्पेशियल डायमेंशन) पर प्रकाश के समय विकास को मैप कर सकें, उन्होंने प्रकाश के समय विकास को कैमरा सेंसर के स्थानिक आयामों पर मैप किया। कैमरे द्वारा लिए गए प्रत्येक एकल स्नैपशॉट ने उस विशिष्ट लेजर शॉट के संपूर्ण विद्युत क्षेत्र तरंग (वेवफॉर्म) को प्रकट किया। इस पद्धति ने उन्हें उप-चक्र सटीकता के साथ प्रकाश क्षेत्र के आकार को पुनर्गठित करने की अनुमति दी, जिससे पल्स के भीतर व्यक्तिगत विस्फोटों को देखा जा सका।

इन हजारों स्नैपशॉट के विश्लेषण ने दिखाया कि प्रकाश विस्फोटों के एक समूह से बना है जो एक-दूसरे से काफी हद तक स्वतंत्र हैं। लगभग आधे लेजर शॉट्स में, शोधकर्ताओं ने एक प्रमुख विस्फोट देखा। अन्य आधे मामलों में, उन्होंने तेजी से क्रम में होने वाले दो या अधिक विस्फोट देखे। इन विस्फोटों का समय निश्चित नहीं था; वे पल्स एनवेलप के भीतर यादृच्छिक अंतराल पर दिखाई दिए। महत्वपूर्ण रूप से, शोधकर्ताओं ने पाया कि प्रत्येक विस्फोट का चरण (फेज), जो इसके विद्युत क्षेत्र के ओरिएंटेशन को निर्धारित करता है, एक विशिष्ट कोण द्वारा अलग किए गए दो अवस्थाओं के बीच यादृच्छिक रूप से बदल जाता है। यह द्वि-मोडल वितरण (बाइमोडल डिस्ट्रीब्यूशन) स्क्वीज्ड वैक्यूम की क्वांटम प्रकृति का एक हस्ताक्षर है। इसका मतलब है कि किसी भी दिए गए विस्फोट के लिए, विद्युत क्षेत्र दो विपरीत दिशाओं में से एक दिशा में संकेत करता है, और वह दिशा मौलिक रूप से यादृच्छिक है।

इस खोज के तत्काल निहितार्थ यादृच्छिकता (रैंडमनेस) उत्पन्न करने में हैं। क्योंकि प्रत्येक विस्फोट का चरण एक वास्तविक क्वांटम घटना है, इसे किसी भी शास्त्रीय माध्यम से अनुमानित नहीं किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने इस गुण का उपयोग करके यादृच्छिक बिट्स की एक धारा बनाई। प्रत्येक विस्फोट के चरण को एक बाइनरी मान प्रदान करके, उन्होंने शून्य और एक की एक ऐसी श्रृंखला उत्पन्न की जो कठोर सांख्यिकीय परीक्षणों में सफल रही। जबकि उनका वर्तमान सेटअप लेजर की पुनरावृत्ति द्वारा सीमित दर पर बिट्स उत्पन्न करता था, यह पद्धति पेटाहर्ट्ज़ आवृत्तियों पर रैंडम नंबर जेनरेट करने के द्वार खोलती है। एक पेटाहर्ट्ज़ प्रति सेकंड एक क्वाड्रिलियन चक्र है, एक ऐसी गति जो वर्तमान इलेक्ट्रॉनिक कंप्यूटरों की प्रसंस्करण क्षमता से बहुत आगे है। यदि इस तकनीक को एक एकल पल्स के भीतर अधिक विस्फोटों को हल करने के लिए स्केल किया जा सकता है, तो रैंडम नंबर जनरेशन की दर इन अभूतपूर्व गतियों तक पहुँच सकती है, जो सुरक्षित संचार और उच्च-गति कंप्यूटिंग में क्रांति ला सकती है।

यादृच्छिकता के अलावा, प्रकाश क्षेत्र को इतने विस्तृत विवरण में देखने की क्षमता ने वैज्ञानिकों को यह मापने की अनुमति दी कि प्रकाश समय के साथ स्वयं के साथ कैसे सह-संबंधित (कोरिलेट) होता है। उन्होंने गणना की कि प्रकाश का तीव्रता और चरण एक क्षण में प्रकाश के साथ थोड़ा बाद के क्षण से कैसे संबंधित है। उन्होंने पाया कि पल्स के केंद्र के पास, जहाँ प्रकाश सबसे मजबूत होता है, व्यवहार प्रकाश के एक एकल, अलग मोड के समान होता है। हालाँकि, जैसे ही उन्होंने पल्स के किनारों की ओर देखा, व्यवहार बदल गया। सहसंबंध मान गिर गए, जो दर्शाता है कि कई स्वतंत्र विस्फोट आपस में ओवरलैप हो रहे हैं और हस्तक्षेप कर रहे हैं। इस अवलोकन ने पुष्टि की कि प्रकाश एक एकल, निरंतर इकाई नहीं है बल्कि समय-सीमित मोड का एक संग्रह है। डेटा एक सैद्धांतिक मॉडल से मेल खाता था जो समय-सीमित मोड पर आधारित है, जिससे पता चलता है कि यह ढांचा यह वर्णन करने का सही तरीका है कि इन अत्यंत तीव्र, उच्च-तीव्रता वाले शासन में प्रकाश कैसे व्यवहार करता है।

यह कार्य दो पहले से अलग क्षेत्रों को जोड़ता है: एटोसेकंड मेट्रोलॉजी, जो प्रकाश के सबसे तेज़ मापन से संबंधित है, और क्वांटम ऑप्टिक्स, जो फोटॉन के सांख्यिकीय गुणों का अध्ययन करता है। क्वांटम ऑप्टिक्स को सब-साइकिल टाइम डोमेन में लाकर, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि प्रकाश का क्वांटम व्यवहार केवल समय के ऊपर एक सांख्यिकीय औसत नहीं है, बल्कि एक गतिशील प्रक्रिया है जो वास्तविक समय में विकसित होती है। इन विस्फोटों की स्टोकेस्टिक प्रकृति, उनके यादृच्छिक चरणों और स्वतंत्र उतार-चढ़ाव के साथ, क्वांटम वैक्यूम में एक सीधा दृश्य प्रदान करती है। यह शोध प्रदर्शित करता है कि सही उपकरणों के साथ, हम प्रकाश की क्वांटम अवस्था को उसके विकास के रूप में माप सकते हैं, क्वांटम दुनिया की अंतर्निहित यादृच्छिकता को एक मापने योग्य, उच्च-बैंडविड्थ संसाधन में बदल सकते हैं। निष्कर्ष बताते हैं कि क्वांटम सूचना प्रसंस्करण का भविष्य इन फेम्टोसेकंड-स्केल उतार-चढ़ाव का लाभ उठाने में निहित है, जो क्वांटम प्रकाश के अराजक विस्फोटों को प्रमाणित यादृच्छिकता और अत्यंत तीव्र इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक शक्तिशाली इंजन में बदल देता है।