A Cavity-Interfaced Register of Trapped-Ion Qubits with Multi-Second Coherence

क्वांटम इंटरनेट का सपना एक सरल लेकिन कठिन आधार पर टिका है: दूर स्थित कंप्यूटरों को जोड़ना जो क्वांटम यांत्रिकी की भाषा बोलते हों। ऐसा नेटवर्क बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को नोड्स—छोटे, अलग-थलग स्टेशन—की आवश्यकता है, जो संदेश भेजने में लगने वाले समय तक नाजुक क्वांटम सूचना को संग्रहीत कर सकें। इन नोड्स को एक फोटॉन, यानी प्रकाश के एक एकल कण को पकड़ने और उस पर मौजूद जुड़ाव को बनाए रखने में सक्षम होना चाहिए, ताकि सूचना फीकी न पड़े। चुनौती यह है कि क्वांटम अवस्थाएँ (states) बेहद अस्थिर होती हैं; परिवेश से विक्षोभ होने पर वे लगभग तुरंत ढह जाती हैं या अपने विशेष गुणों को खो देती हैं। एक नेटवर्क के काम करने के लिए, इन नोड्स के भीतर की मेमोरी को अगला कनेक्शन बनाने में लगने वाले समय से अधिक समय तक जीवित रहना चाहिए। यदि अगला लिंक बनने से पहले ही मेमोरी फीकी पड़ जाती है, तो नेटवर्क विकसित नहीं हो पाएगा।

इनब्रुक विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने इस समस्या को हल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है, उन्होंने एक नए प्रकार की क्वांटम मेमोरी बनाई है जो कई सेकंड तक सूचना को थामे रख सकती है। उन्होंने पाँच कैल्शियम आयनों की एक श्रृंखला का उपयोग किया, जो विद्युत क्षेत्रों द्वारा निर्वात (vacuum) में फंसे हुए एकल परमाणु हैं, और उन्हें एक विशेष ऑप्टिकल कैविटी के भीतर रखा जो प्रकाश को पकड़ने और निर्देशित करने के लिए डिज़ाइन की गई है। इस सेटअप में, एक आयन संचारक (communicator) के रूप में कार्य करता है, जो एक फोटॉन उत्पन्न करता है जिसमें क्वांटम सूचना का एक अंश होता है, जबकि अन्य चार आयन एक मेमोरी बैंक के रूप में कार्य करते हैं, जो बाहर से सूचना प्राप्त करने के बजाय उस सह-ट्रैप्ड (co-trapped) आयन द्वारा उत्पन्न एंटैंगलमेंट (entanglement) को संग्रहीत करते हैं। टीम ने प्रदर्शित किया कि वे इन मेमोरी आयनों की क्वांटम अवस्था को पाँच सेकंड तक अक्षुण्ण रख सकते हैं, जो समान कैविटी-आधारित प्रणालियों में पहले की तुलना में कई गुना अधिक अवधि है। यह उपलब्धि सिद्ध करती है कि प्रकाश-पदार्थ अंतःक्रिया की उच्च दक्षता को वास्तविक दुनिया के क्वांटम नेटवर्क के लिए आवश्यक दीर्घकालिक स्थिरता के साथ जोड़ना संभव है।

प्रयोग की शुरुआत पाँचों कैल्शियम आयनों को परम शून्य (absolute zero) के करीब ठंडा करके और उन्हें एक पंक्ति में फँसाकर की गई। इसके बाद शोधकर्ताओं ने आयनों को एक विशिष्ट क्वांटम अवस्था में तैयार करने के लिए लेजर का उपयोग किया। इन अवस्थाओं को पर्यावरण के प्राकृतिक शोर, जैसे कि चुंबकीय क्षेत्रों के सूक्ष्म उतार-चढ़ाव से बचाने के लिए, उन्होंने 'डायनामिकल डिकपलिंग' (dynamical decoupling) नामक तकनीक लागू की। इसमें आयनों पर रेडियो-फ्रीक्वेंसी पल्स की एक तीव्र श्रृंखला चलाई जाती है, जो प्रभावी रूप से उनके क्वांटम अवस्थाओं को इस तरह से उलटती-पलटती है कि बाहरी विक्षोभों को रद्द किया जा सके। ऐसा करके, टीम ने आयनों में संग्रहीत क्वांटम सूचना के जीवनकाल को बढ़ा दिया। उन परीक्षणों में जहाँ कोई प्रकाश उत्पन्न नहीं किया गया था, एक एकल आयन ने पाँच सेकंड तक उच्च शुद्धता (fidelity) के साथ अपनी अवस्था बनाए रखी। जब टीम ने इन पाँचों आयनों का एक साथ परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि प्रत्येक आयन ने एकल आयन के समान ही प्रदर्शन किया, और पूरी अवधि के लिए क्वांटम सूचना को बनाए रखा। इसने पुष्टि की कि यह विधि केवल एक अकेले बिट के लिए नहीं, बल्कि एक रजिस्टर या बिट्स के छोटे समूह के लिए भी काम करती है।

अगला कदम यह परीक्षण करना था कि क्या यह मेमोरी वास्तव में एक कनेक्शन बनाने की प्रक्रिया के दौरान जीवित रह सकती है। शोधकर्ताओं ने पाँच में से एक आयन को एक फोटॉन उत्पन्न करने के लिए प्रोग्राम किया जो दूरस्थ स्थान तक एक क्वांटम लिंक ले जाएगा। इस प्रक्रिया में आयन पर एक लेजर चलाना शामिल है ताकि वह कैविटी में एक फोटॉन उत्सर्जित कर सके। टीम यह देखना चाहती थी कि क्या फोटॉन उत्पन्न करने की क्रिया, और इसे करने के लिए आवश्यक लेजर, अन्य चार आयनों में संग्रहीत क्वांटम सूचना को नुकसान पहुँचाएंगे। उन्होंने मेमोरी आयनों के स्वास्थ्य की निगरानी करते हुए फोटॉन जनरेशन के प्रयास को हजारों बार दोहराया। उन्होंने पाया कि मेमोरी सुदृढ़ रही, और हजारों प्रयासों के बाद भी उसने अपनी क्वांटम अवस्था को बनाए रखा। एकमात्र कारक जिसने मेमोरी को कमज़ोर किया, वह था लेजर इंटरफेरेंस का एक विशिष्ट प्रकार, जिसे 'क्रॉसटॉक' (crosstalk) कहा जाता है, जहाँ संचार करने वाले आयन के लिए लक्षित लेजर प्रकाश का एक सूक्ष्म अंश गलती से मेमोरी आयनों पर पड़ गया। इस प्रभाव का मॉडल बनाकर, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि गिरावट अनुमानित थी और इसे प्रबंधित किया जा सकता था, न कि यह सिस्टम की कोई मौलिक खामी थी।

शायद सबसे आश्चर्यजनक परिणाम एक आयन और एक फोटॉन के बीच के संबंध को लंबे समय तक संग्रहीत करने की क्षमता थी। टीम ने एक एंटैंगल्ड पेयर (entangled pair) उत्पन्न किया, जहाँ आयन की अवस्था फोटॉन की अवस्था से जुड़ी हुई थी, और फिर उस जोड़ी के आयन वाले हिस्से को मेमोरी में संग्रहीत किया। उन्होंने आयन को दोबारा मापने से पहले दो सेकंड तक प्रतीक्षा की। इस लंबी देरी के बाद भी, आयन और फोटॉन के बीच का लिंक मजबूत बना रहा, जिससे सिद्ध हुआ कि मेमोरी ने सफलतापूर्वक एंटैंगलमेंट को संरक्षित किया है। यह एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर है क्योंकि यह दर्शाता है कि सिस्टम एक जटिल नेटवर्क संचालन करने के लिए पर्याप्त समय तक कनेक्शन को थामे रख सकता है, जैसे कि दूरस्थ नोड से संकेत की प्रतीक्षा करना या अगला संदेश भेजने से पहले गणना करना। शोधकर्ताओं ने गणना की कि मामूली सुधारों, जैसे बेहतर लेजर फोकसिंग और आयनों की आवधिक कूलिंग के साथ, उनका सिस्टम दो दूरस्थ स्थानों के बीच एक साथ कई कनेक्शन स्थापित कर सकता है।

इस कार्य ने वर्तमान सेटअप की विशिष्ट सीमाओं की भी पहचान की। हालांकि मेमोरी अविश्वसनीय रूप से लचीली थी, शोधकर्ताओं ने पाया कि लेजर पल्स से आयनों के गर्म होने के कारण समय के साथ फोटॉन उत्पन्न करने की दक्षता थोड़ी कम हो गई। उन्होंने निर्धारित किया कि इस हीटिंग (heating) को स्ट्रिंग में अतिरिक्त आयन जोड़कर हल किया जा सकता है ताकि मेमोरी को बाधित किए बिना सिस्टम को ठंडा करने में मदद मिल सके। इसके अलावा, उन्होंने दिखाया कि लेजर क्रॉसटॉक, जो त्रुटि का मुख्य स्रोत था, को मेमोरी आयनों को संचार करने वाले आयन से थोड़ा दूर करके या लेजर को अधिक सटीकता से केंद्रित करने के लिए बेहतर लेंस का उपयोग करके न्यूनतम किया जा सकता है। ये इंजीनियरिंग संबंधी चुनौतियाँ हैं न कि मौलिक भौतिक बाधाएँ, जो यह सुझाव देती हैं कि आगे का मार्ग स्पष्ट है।

यह शोध एकल-क्विबिट प्रयोगों के निर्माण से हटकर छोटे, कार्यात्मक मॉड्यूल बनाने की ओर एक बदलाव का प्रतिनिधित्व करता है जिन्हें आपस में जोड़ा जा सकता है। क्वांटम कंप्यूटरों को बड़े पैमाने पर बनाने के लिए सक्रिय रूप से नेटवर्क बनाने के प्रयास के दौरान सेकंडों तक क्वांटम सूचना को संग्रहीत करने की क्षमता एक पूर्व शर्त है। टीम के परिणाम बताते हैं कि इन आयन-कैविटी मॉड्यूल्स का एक नेटवर्क अंततः दूरस्थ स्थानों के बीच एक साथ कई एंटैंगल्ड पेयर्स के निर्माण का समर्थन कर सकता है। यह जटिल क्वांटम अवस्थाओं के टेलीपोर्टेशन और लंबी दूरी के कनेक्शनों के शुद्धिकरण (purification) की अनुमति देगा, जो भविष्य के क्वांटम इंटरनेट की रीढ़ बनेगा। यह प्रदर्शित करके कि एक कैविटी-एकीकृत प्रणाली बहु-सेकंड कोहेरेंस (coherence) और सुदृढ़ मेमोरी प्राप्त कर सकती है, शोधकर्ताओं ने एक ठोस ब्लूप्रिंट प्रदान किया है कि वास्तविक दुनिया में क्वांटम नेटवर्क कैसे बनाए जा सकते हैं।