Experimental zero-added-loss multiplexing Bell-pair source for long-haul quantum networks
यह शोध पत्र 16 समानांतर आवृत्ति मोड और 3.0 GHz पंप पुनरावृत्ति दर के माध्यम से 16 समानांतर आवृत्ति मोड और 3.0 GHz पंप पुनरावृत्ति दर के माध्यम से उच्च-निष्ठा एंटैंगलमेंट स्वैपिंग (high-fidelity entanglement swapping) प्राप्त करके, लंबी दूरी के क्वांटम नेटवर्क के लिए शून्य-अतिरिक्त-हानि मल्टीप्लेक्सिंग (zero-added-loss multiplexing - ZALM) के एक स्केलेबल प्रयोगात्मक कार्यान्वयन को प्रदर्शित करता है, जिसके परिणामस्वरूप कुल स्वैपिंग दर 5.38 जोड़े प्रति सेकंड और अनुमानित ZALM बेल-पेयर दर 820 जोड़े प्रति सेकंड है।
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क्वांटम इंटरनेट का सपना एक ऐसे भविष्य का वादा करता है जहाँ सूचना पूर्ण सुरक्षा के साथ यात्रा करेगी और कंप्यूटर उन समस्याओं को हल करेंगे जो वर्तमान में असंभव हैं। इस विजन को वास्तविकता बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को ऐसे नेटवर्क बनाने होंगे जो नाजुक क्वांटम अवस्थाओं, जिन्हें एंटेंगल्ड पेयर्स (entangled pairs) कहा जाता है, को लंबी दूरी तक बिना अपना विशेष संबंध खोए भेज सकें। सबसे बड़ी बाधा यह है कि क्वांटम सिग्नल फाइबर-ऑप्टिक केबलों के माध्यम से यात्रा करते समय फीके पड़ जाते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक बड़े हॉल में कोई फुसफुसाहट धीरे-धीरे खत्म हो जाती है। इसे दूर करने के लिए, शोधकर्ता क्वांटम रिपीटर्स नामक उपकरण विकसित कर रहे हैं। ये रिपीटर रिले स्टेशनों की तरह कार्य करते हैं, जो एक फीके पड़ते सिग्नल को पकड़ते हैं, उसे तरोताजा करते हैं, और फिर उसे आगे बढ़ाते हैं। हालाँकि, एक रिपीटर के उपयोगी होने के लिए पर्याप्त तेज़ होने हेतु, इसे एक साथ कई सिग्नलों को प्रोसेस करने की आवश्यकता होती है। एक प्रमुख चुनौती यह रही है कि इन सिग्नलों को बिना त्रुटियां पैदा किए या उस मूल्यवान जानकारी को खोए बिना कैसे संभाला जाए जो उन्हें कीमती बनाती है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस समस्या को हल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है, जिसमें उन्होंने इन क्वांटम सिग्नलों को बनाने और प्रबंधित करने का एक नया तरीका प्रदर्शित किया है। उन्होंने सफलतापूर्वक एक ऐसा स्रोत बनाया जो प्रकाश के कणों, जिन्हें फोटोन कहा जाता है, के एंटेंगल्ड पेयर्स को एक साथ सोलह अलग-अलग रंग चैनलों (color channels) में उत्पन्न कर सकता है। अपने प्रयोग में, वे प्रकाश के सोलह समानांतर प्रवाहों के बीच एंटेंगमेंट को 93.9 प्रतिशत की औसत सफलता दर के साथ बदलने में सफल रहे। इसका अर्थ है कि नाजुक क्वांटम संबंध को सभी चैनलों में उच्च सटीकता के साथ संरक्षित किया गया था। इन सोलह रंगों को एक साथ संभालने की इस क्षमता को प्रति सेकंड 3.0 बिलियन बार की बहुत तेज़ पल्स दर के साथ जोड़कर, उन्होंने प्रति सेकंड 5.38 पेयर्स की कुल पीढ़ी दर प्राप्त की। उनके सिस्टम की दक्षता को ध्यान में रखते हुए, यह प्रति सेकंड 820 पेयर्स के संभावित आउटपुट में परिवर्तित होता है, जो इस प्रकार की तकनीक के लिए एक नया प्रदर्शन स्तर दर्शाता है।
उनकी उपलब्धि का मूल आधार 'जीरो-ऐडेड-लॉस मल्टीप्लेक्सिंग' (zero-added-loss multiplexing) नामक एक विधि है। कल्पना कीजिए कि आप एक भीड़भाड़ वाले कमरे में संदेश भेजने की कोशिश कर रहे हैं जहाँ आप एक समय में केवल एक ही शब्द बोल सकते हैं; आप बहुत धीमे होंगे। मल्टीप्लेक्सिंग एक ही समय में सोलह अलग-अलग आवाजों के साथ बोलने जैसा है, जो आपको उसी समय में बहुत अधिक जानकारी भेजने की अनुमति देता है। प्रकाश की दुनिया में, ये "आवाजें" अलग-अलग रंग, या आवृत्तियाँ (frequencies) हैं। शोधकर्ताओं ने सोलह इन रंग धाराओं को प्रबंधित करने के लिए मानक उपकरणों, विशेष रूप से फिल्टरों का उपयोग किया जो प्रकाश को 50 गीगाहर्ट्ज़ के अंतराल पर चैनलों में विभाजित करते हैं। उन्होंने प्रकाश कणों को बनाने के लिए उपयोग किए जाने वाले लेजर पल्स को सावधानीपूर्वक आकार दिया ताकि प्रत्येक रंग चैनल शुद्ध और विशिष्ट बना रहे, जिससे उस भ्रम से बचा जा सके जो आमतौर पर इतने सारे सिग्नलों को एक साथ पैक करने की कोशिश में होता है। इस सटीकता ने उन्हें एंटेंगमेंट स्वैपिंग (entanglement swapping) नामक एक जटिल ऑपरेशन करने की अनुमति दी, जहाँ कणों के दो अलग-अलग जोड़ों को एक नया, लंबा संबंध बनाने के लिए जोड़ा जाता है, जबकि सोलह चैनलों को समानांतर में चलाया जाता है।
सिस्टम सही ढंग से काम करे, यह सुनिश्चित करने के लिए टीम को एक विशिष्ट समय संबंधी चुनौती से पार पाना पड़ा। क्योंकि वे पल्स को इतनी तेज़ी से भेज रहे थे, उनके बीच का अंतर अविश्वसनीय रूप से कम था। यदि कणों को पकड़ने के लिए उपयोग किए जाने वाले डिटेक्टर बहुत धीमे या अपरिष्कृत होते, तो वे एक पल्स के कण को अगले पल्स के कण के साथ भ्रमित कर देते, जिससे प्रयोग खराब हो जाता। शोधकर्ताओं ने अत्यधिक संवेदनशील डिटेक्टरों का उपयोग किया जो 39 पिकोसेकंड की सटीकता के साथ एक कण के आगमन के समय को पहचान सकते थे। यह गति इतनी तेज़ थी कि पल्स को स्पष्ट रूप से अलग किया जा सके, जो हर 333 पिकोसेकंड में आ रहे थे, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि क्वांटम जानकारी स्वच्छ और अछूती रहे। परिणाम स्वरूप एक ऐसा सिस्टम प्राप्त हुआ जहाँ सोलह चैनलों में प्रकाश कण एक-दूसरे के लगभग समान थे, जो एंटेंगमेंट स्वैपिंग की सफलता के लिए एक आवश्यकता थी।
प्रयोग ने पुष्टि की कि यह दृष्टिकोण न केवल सैद्धांतिक रूप से संभव है बल्कि व्यावहारिक रूप से भी व्यवहार्य है। शोधकर्ताओं ने अपने द्वारा बनाए गए एंटेंगल्ड पेयर्स की गुणवत्ता को मापा और पाया कि उन्होंने उच्च स्तर की फिडेलिटी (fidelity) बनाए रखी है, जिसका अर्थ है कि कण ठीक उसी क्वांटम अवस्था में रहे जिसकी भविष्य के नेटवर्क के लिए आवश्यकता है। उन्होंने यह भी दिखाया कि मानक, व्यावसायिक रूप से उपलब्ध घटकों का उपयोग करके रंग पृथक्करण करने से, यह तकनीक स्केलेबल है और यह किसी विलक्षण, कस्टम-निर्मित मशीनरी पर निर्भर नहीं है। हालाँकि उनका वर्तमान सेटअप प्रति सेकंड कुछ जोड़े ही उत्पन्न कर रहा था, लेकिन उनके कंप्यूटर सिमुलेशन बताते हैं कि और अधिक सुधारों, जैसे कि और अधिक रंग चैनलों का उपयोग करने और सिग्नल हानि को कम करने के साथ, यह दर कई गुना बढ़ सकती है। यह कार्य उच्च गति वाले, लंबी दूरी के क्वांटम नेटवर्क बनाने की दिशा में एक स्पष्ट मार्ग स्थापित करता है जो सुरक्षित संचार और वितरित कंप्यूटिंग की अगली पीढ़ी के लिए आवश्यक होंगे।
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