An ultra-bright, highly-scalable, squeezed light source for hybrid quantum photonics
यह शोध पत्र एक अत्यधिक स्केलेबल, अल्ट्रा-ब्राइट सिंगल-पास टाइप-II KTP वेवगाइड स्रोत प्रस्तुत करता है जो 1546 nm पर 1.24 के मोड नंबर के साथ सिंगल-मोड स्क्वीज्ड वैक्यूम स्टेट्स उत्पन्न करता है, और साथ ही हाइब्रिड क्वांटम फोटोनिक आर्किटेक्चर में इसके प्रदर्शन को अभिलक्षणित करने के लिए एक व्यापक सैद्धांतिक ढांचा प्रदान करता है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
एक नए प्रकार का कंप्यूटर बनाने की खोज में, वैज्ञानिक एक ऐसे पथ की तलाश कर रहे हैं जो बिजली के बजाय प्रकाश का उपयोग करता है। यह क्षेत्र, जिसे क्वांटम फोटोनिक्स (quantum photonics) के रूप में जाना जाता है, सूचना को उन तरीकों से संसाधित करने के लिए क्वांटम यांत्रिकी के विचित्र नियमों पर निर्भर करता है जिन्हें शास्त्रीय मशीनें नहीं कर सकतीं। दो मुख्य दृष्टिकोण उभर कर आए हैं: एक जो प्रकाश के व्यक्तिगत कणों को गिनता है, जैसे कि कंचों (marbles) की गिनती करना, और दूसरा जो प्रकाश को एक निरंतर तरंग (continuous wave) के रूप में मानता है, जो इसके सूक्ष्म उतार-चढ़ाव को मापता है। भविष्य के लिए सबसे शक्तिशाली दृष्टिकोण एक हाइब्रिड प्रणाली है जो दोनों दुनियाओं की सर्वश्रेष्ठ विशेषताओं को जोड़ती है। इसे काम करने के योग्य बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को एक बहुत ही विशिष्ट सामग्री की आवश्यकता है: प्रकाश का एक ऐसा स्रोत जो न केवल अविश्वसनीय रूप से चमकीला हो बल्कि पूरी तरह से एकसमान भी हो। कल्पना कीजिए कि आप कंचों से एक जटिल मशीन बनाने की कोशिश कर रहे हैं; यदि हर कंचा आकार या रूप में थोड़ा अलग है, तो गियर जाम हो जाएंगे। इसी तरह, एक हाइब्रिड क्वांटम कंप्यूटर के कार्य करने के लिए, इसके द्वारा उपयोग किए जाने वाले प्रकाश के स्पंद (pulses) हर तरह से समान होने चाहिए, जो अस्तित्व के एक एकल, सुस्पष्ट "मोड" (mode) में हों। यदि प्रकाश अव्यवस्थित है या कई अलग-अलग मोड में फैला हुआ है, तो नाजुक क्वांटम सूचना शोर में खो जाती है।
पैडरबॉर्न, जर्मनी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक ऐसा प्रकाश स्रोत विकसित किया है जो इन कठिन आवश्यकताओं को पूरा करता है, जो बड़े पैमाने के क्वांटम नेटवर्क के लिए एक संभावित आधार प्रदान करता है। उन्होंने एक विशेष क्रिस्टल वेवगाइड (crystal waveguide) को इंजीनियर किया है जो इन आदर्श प्रकाश स्पंदों को उत्पन्न करने के लिए एक कारखाने के रूप में कार्य करता है। यह उपकरण एक मानक लेजर बीम को प्रकाश के कणों के जोड़ों में विभाजित करता है, जिन्हें सिग्नल (signal) और आइडलर (idler) कहा जाता है, जिन्हें फिर एक 'स्क्वीज्ड' (squeezed) अवस्था बनाने के लिए पुनर्संयोजित किया जाता है। इस संदर्भ में, "स्क्वीज्ड" का अर्थ है कि प्रकाश की प्राकृतिक अनिश्चितता को एक पहलू में कम कर दिया गया है, जिससे यह गणनाओं के लिए अधिक सटीक हो जाता है। टीम की सफलता इन स्क्वीज्ड अवस्थाओं को अत्यधिक चमक के साथ उत्पन्न करने में निहित है—एकल स्पंद में 40,000 फोटॉन तक उत्पन्न करना—जबकि यह सुनिश्चित करना कि प्रकाश एक एकल, स्वच्छ मोड में बना रहे। यह एक कठिन संतुलन है, क्योंकि प्रकाश को अधिक चमकीला बनाने से वह आमतौर पर अधिक अव्यवस्थित हो जाता है, जिससे कई मोड उत्पन्न होते हैं जो क्वांटम सूचना को खराब कर देते हैं।
शोधकर्ताओं ने इसे पोटेशियम टाइटानिल फॉस्फेट (potassium titanyl phosphate) नामक एक विशिष्ट प्रकार के क्रिस्टल का उपयोग करके प्राप्त किया, जिसे उन्होंने एक छोटे, 20 मिलीमीटर लंबे चैनल के रूप में आकार दिया था। इस चैनल के भीतर, उन्होंने सामग्री को इतनी सावधानी से इंजीनियर किया कि इसके द्वारा उत्पादित दो प्रकार के प्रकाश एक-दूसरे से लगभग अविभेद्य (indistinguishable) हों। जब इन दो प्रकाश क्षेत्रों को एक बीम स्प्लिटर पर मिलाया जाता है, तो वे उनके अंतर को समाप्त करने के तरीके से हस्तक्षेप करते हैं, जिससे एक शुद्ध, एकल-मोड अवस्था प्राप्त होती है। टीम ने इस स्रोत का कड़ाई से परीक्षण किया, यह मापा कि इसने कितने फोटॉन उत्पन्न किए और जैसे-जैसे उन्होंने इसे चलाने वाले लेजर की शक्ति बढ़ाई तो प्रकाश कैसे व्यवहार किया। उन्होंने पाया कि जब वे सिस्टम को इसकी सीमाओं तक धकेल रहे थे, यानी दर्जनों हजार फोटॉन वाले स्पंद उत्पन्न कर रहे थे, तब भी प्रकाश उल्लेखनीय रूपसे एकसमान बना रहा। उनके मापन ने दिखाया कि प्रकाश केवल 1.24 के प्रभावी मोड की संख्या रखता है, जो कि एक के आदर्श मान के बहुत करीब है। यह पुष्टि करता है कि स्रोत सफलतापूर्वक स्वच्छ, चमकीले प्रकाश स्पंद उत्पन्न करता है जो उन्नत क्वांटम अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक हैं।
हालाँकि, टीम ने यह भी खोजा कि पूर्णता का मार्ग केवल आवाज़ बढ़ाने जितना सरल नहीं है। उन्होंने यह समझने के लिए एक विस्तृत सैद्धांतिक मॉडल विकसित किया कि जब प्रकाश इतना तीव्र होता है तो क्रिस्टल के भीतर वास्तव में क्या होता है। उन्होंने पाया कि साधारण, पुराने जमाने की गणनाएं, जो यह मानती हैं कि प्रकाश एक सीधे तरीके से व्यवहार करता है, उच्च शक्ति स्तरों पर स्रोत के व्यवहार की भविष्यवाणी करने में विफल रहती हैं। ये पुराने मॉडल सुझाव देते हैं कि प्रकाश अधिक चमकीला होने पर तेजी से खराब हो जाएगा, लेकिन शोधकर्ताओं का नया, अधिक जटिल सिद्धांत दिखाता है कि सिस्टम वास्तव में खुद को पुनर्गठित करता है। जैसे-जैसे शक्ति बढ़ती है, प्रकाश स्वाभाविक रूप से और भी अधिक एकसमान होने के लिए विकसित होता है, जो कि क्रिस्टल के भीतर फोटॉन के निर्माण के समय (timing) द्वारा संचालित एक घटना है। यह अंतर्दृष्टि महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका अर्थ है कि केवल एक उज्जवल स्रोत बनाना अनिवार्य रूप से एक खराब स्रोत बनाना नहीं है; वास्तव में, सही परिस्थितियों में, सिस्टम अपनी शुद्धता बनाए रखने के लिए स्वयं को सुधार सकता है।
वास्तविक दुनिया की तकनीक की जरूरतों के मामले में इस नए स्रोत का प्रदर्शन प्रभावशाली है। यह जिस प्रकाश को उत्पन्न करता है उसकी तरंग दैर्ध्य (wavelength) 1546 नैनोमीटर है, जो वैश्विक दूरसंचार फाइबर-ऑप्टिक केबलों में उपयोग किए जाने वाले मानक रंग का है। इसका मतलब है कि यह प्रकाश मौजूदा इंटरनेट बुनियादी ढांचे के माध्यम से बिना किसी विशेष, महंगे उपकरण को बदलने की आवश्यकता के यात्रा कर सकता है। इसके अलावा, प्रकाश के स्पंद अविश्वसनीय रूप से छोटे होते हैं, जो केवल कुछ ट्रिलियनवें सेकंड तक चलते हैं। यह संक्षिप्तता आवश्यक है क्योंकि यह डिटेक्टरों को एक स्पंद में फोटॉन की सटीक संख्या गिनने की अनुमति देती है बिना उन्हें आपस में मिले, जो सबसे उन्नत क्वांटम प्रयोगों के लिए आवश्यक क्षमता है। शोधकर्ताओं ने भविष्य की ओर भी देखा कि यह स्रोत सैद्धांतिक रूप से कितना बेहतर हो सकता है। उनके सिमुलेशन बताते हैं कि और सुधारों के साथ, सिस्टम 'स्क्वीजिंग' के ऐसे स्तर प्राप्त कर सकता है जो माइनस 20 डेसिबल के करीब हो, एक ऐसा आंकड़ा जो इसे क्वांटम कंप्यूटरों में त्रुटि सुधार (error correction) के लिए शक्तिशाली बना देगा।
इन सफलताओं के बावजूद, अध्ययन यह भी रेखांकित करता है कि वर्तमान में कौन सी भौतिक सीमाएँ इस तकनीक को रोक रही हैं। प्राथमिक बाधा स्वयं स्रोत का डिज़ाइन नहीं है, बल्कि प्रकाश की वह सूक्ष्म मात्रा है जो क्रिस्टल के माध्यम से यात्रा करते समय और उपकरण से बाहर निकलते समय नष्ट हो जाती है। ऊर्जा की थोड़ी सी भी हानि शुद्ध क्वांटम अवस्था को खाली स्थान के साथ मिला देती है, जिससे इसकी गुणवत्ता गिर जाती है। शोधकर्ता कहते हैं कि हालांकि उनका वर्तमान क्रिस्टल उपलब्ध सर्वोत्तमों में से एक है, लेकिन इस सामग्री को पूरी तरह से बनाना कठिन है। वे भविष्य की तकनीकों की ओर संकेत करते हैं, जैसे कि लिथियम नियोबेट (lithium niobate) की पतली फिल्में, जो और भी कम नुकसान (losses) प्रदान कर सकती हैं, लेकिन फिलहाल, उनका कार्य एक नया बेंचमार्क स्थापित करता है। उन्होंने सिद्ध कर दिया है कि एक ऐसा स्रोत बनाना संभव है जो एक साथ चमकीला, शुद्ध और उन फाइबर नेटवर्क के अनुकूल हो जो दुनिया को जोड़ते हैं। यह उपलब्धि हाइब्रिड क्वांटम फोटोनिक्स के क्षेत्र को एक सैद्धांतिक संभावना से एक व्यावहारिक वास्तविकता में बदल देती है, जो कल के क्वांटम नेटवर्क बनाने के लिए विश्वसनीय, उच्च-गुणवत्ता वाले प्रकाश की आवश्यकता को पूरा करती है।
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