Quantum skyrmion parallelism via metasurface-tailored high-dimensional entanglement
यह शोध पत्र उच्च-आयामी फोटोनिक एंटैंगलमेंट (entanglement) को एक मेटासरफेस के साथ इंटरफेस करके, बहु-आयामी क्वांटम स्काईर्मियन्स (skyrmions) को कई सह-अस्तित्व वाली टोपोलॉजी के साथ उत्पन्न करने की एक विधि प्रदर्शित करता है, जो एक ही सघन उपकरण के भीतर विशिष्ट टोपोलॉजिकल अवस्थाओं के समानांतर परिवहन को सक्षम बनाता है।
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आधुनिक भौतिकी के विशाल परिदृश्य में, प्रकाश को अक्सर केवल एक कमरे को रोशन करने वाली किरण के रूप में नहीं, बल्कि जटिल सूचना के वाहक के रूप में देखा जाता है। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि प्रकाश में 'स्पिन' नामक एक गुण होता है, जो इसके ध्रुवीकरण (polarization), या इसकी तरंगों के कंपन की दिशा से संबंधित है। उन्होंने यह भी खोजा है कि प्रकाश यात्रा करते समय मुड़ सकता है, जिससे कक्षीय कोणीय संवेग (orbital angular momentum) नामक एक प्रकार का कोणीय संवेग प्राप्त होता है। जब ये दोनों गुण एक विशिष्ट तरीके से एक साथ जुड़ जाते हैं, तो वे एक टोपोलॉजिकल संरचना बना सकते हैं, जो प्रकाश के क्षेत्र में एक ऐसा आकार है जो सुदृढ़ है और जिसे नष्ट करना कठिन है, ठीक वैसे ही जैसे रस्सी में एक ऐसी गांठ जिसे बिना रस्सी काटे खोला नहीं जा सकता। इन संरचनाओं को 'स्काईर्मियन्स' (skyrmions) कहा जाता है, और इनकी मजबूती इन्हें डेटा के विशाल भंडार को संग्रहीत करने या शोर वाले वातावरण में सूचना प्रसारित करने के लिए आदर्श उम्मीदवार बनाती है। वर्षों से, शोधकर्ता मेटासरफेस (metasurfaces) नामक सपाट, इंजीनियर सतहों का उपयोग करके इन स्काईर्मियन्स को बनाने में सक्षम रहे हैं, लेकिन इसमें एक महत्वपूर्ण सीमा थी: प्रत्येक सतह एक बार में केवल एक विशिष्ट प्रकार का स्काईर्मियन ही उत्पन्न कर सकती थी, जो इस बात पर निर्भर करता था कि प्रकाश उसमें कैसे प्रवेश करता है। इसका अर्थ यह था कि एक अलग आकार प्राप्त करने के लिए, उन्हें एक नया उपकरण बनाना पड़ता या पूरे सेटअप को बदलना पड़ता, जिससे प्रकाश की एक एकल किरण में समाहित की जा सकने वाली सूचना की मात्रा सीमित हो जाती थी।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने क्वांटम एंटैंगलमेंट (quantum entanglement) की शक्ति को इन सपाट ऑप्टिकल सतहों के साथ जोड़कर इस सीमा को तोड़ दिया है। अपने कार्य में, उन्होंने फोटॉन के ऐसे जोड़े उत्पन्न किए जो उच्च-आयामी (high-dimensional) तरीके से जुड़े हुए थे, जिसका अर्थ है कि उनके गुण केवल दो सरल अवस्थाओं के बजाय संभावनाओं की एक विस्तृत श्रृंखला में सह-संबंधित थे। उन्होंने प्रत्येक जोड़े के एक फोटॉन को एक विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए मेटासरफेस के माध्यम से भेजा जो प्रकाश के ध्रुवीकरण और कक्षीय संवेग को एक साथ घुमा सकता था। चूंकि मेटासरफेस में प्रवेश करने वाला फोटॉन एक एंटैंगल्ड जोड़े का हिस्सा था, इसलिए उसकी सटीक अवस्था मापन होने तक निश्चित नहीं थी। इस अनिश्चितता ने एकल मेटासरफेस को एक ही समय में सभी संभावित इनपुट अवस्थाओं पर कार्य करने की अनुमति दी, जिससे प्रभावी रूप से एक ही क्वांटम अवस्था के भीतर कई अलग-अलग स्काईर्मियन आकारों का एक सुपरपोजिशन (superposition) बन गया। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि साथी फोटॉन को एक विशिष्ट तरीके से मापने के माध्यम से, वे यह प्रकट कर सकते थे कि इनमें से कौन सी कई सह-अस्तित्व वाली टोपोलॉजिकल संरचनाएं मौजूद थीं। उन्होंने दिखाया कि एक एकल उपकरण कई अलग-अलग स्काईर्मियन्स को होस्ट कर सकता है, जिनमें से प्रत्येक का अपना अद्वितीय टोपोलॉजिकल नंबर है, जिससे प्रभावी रूप से एक सतह एक जटिल क्वांटम अवस्थाओं के समानांतर जनरेटर में बदल गई।
प्रयोग की शुरुआत एंटैंगल्ड फोटॉन के एक ऐसे प्रक्रिया से हुई जिसने फोटॉन के जोड़े बनाए, जहाँ एक फोटॉन का कक्षीय कोणीय संवेग उसके साथी के विपरीत संवेग द्वारा पूरी तरह से संतुलित था। इन फोटॉनों में से एक फोटॉन को सिलिकॉन स्तंभों से बने मेटासरफेस के माध्यम से निर्देशित किया गया, जिसने फोटॉन के ध्रुवीकरण को उसके कक्षीय कोणीय संवेग के साथ जोड़ने के लिए एक जे-प्लेट (J-plate) के रूप में कार्य किया। इस परस्पर क्रिया ने फोटॉन को एक हाइब्रिड अवस्था में बदल दिया जहाँ उसका स्पिन और कक्षीय गति अविभाज्य रूप से जुड़े हुए थे। चूंकि फोटॉन अपने साथी के साथ एंटैंगल्ड था, इसलिए मेटासरफेस द्वारा लागू किया गया परिवर्तन एक एकल परिणाम तक सीमित नहीं था। इसके बजाय, सिस्टम एक ऐसी अवस्था में था जहाँ कई टोपोलॉजिकल विन्यास एक साथ मौजूद थे, जिनमें से प्रत्येक साथी फोटॉन के विभिन्न कक्षीय कोणीय संवेग मानों के साथ सह-संबंधित था। शोधकर्ताओं ने पाया कि साथी फोटॉन को एक विशिष्ट कक्षीय कोणीय संवेग अवस्था पर प्रोजेक्ट करके, वे इस छिपे हुए परिदृश्य से एक विशिष्ट स्काईर्मियन को चुन और प्रकट कर सकते थे। उन्होंने परिणामी अवस्थाओं को मापा और पुष्टि की कि उनमें अपेक्षित टोपोलॉजिकल नंबर मौजूद थे, जो यह वर्णन करते हैं कि प्रकाश का क्षेत्र अंतरिक्ष में कितनी बार अपने आप के चारों ओर घूमता है।
टीम ने मेटासरफेस के विभिन्न विन्यासों और माप सेटिंग्स का परीक्षण करके इस पद्धति की क्षमताओं का और अधिक अन्वेषण किया। उन्होंने विभिन्न टोपोलॉजिकल नंबरों के साथ स्काईर्मियन्स को सफलतापूर्वक उत्पन्न किया, जिनमें लगभग एक, दो और पांच के मान, साथ ही उनके नकारात्मक समकक्ष शामिल थे। प्रयोगों के एक सेट में, उन्होंने प्रदर्शित किया कि एक एकल मेटासरफेस एक ही समय में तीन अलग-अलग टोपोलॉजिकल अवस्थाओं को उत्पन्न कर सकता है। साथी फोटॉन को तीन अलग-अलग तरीकों से मापकर, वे इनमें से प्रत्येक अवस्था को व्यक्तिगत रूप से प्रकट कर सके, जिससे यह सिद्ध हुआ कि उपकरण टोपोलॉजिकल सूचना के समानांतर प्रसंस्करण में सक्षम था। उन्होंने साथी फोटॉन को कक्षीय कोणीय संवेग की एक एकल अवस्था के बजाय, उसके सुपरपोजिशन पर प्रोजेक्ट करके सीमाओं को और आगे बढ़ाया। इस दृष्टिकोण ने उन्हें और भी अधिक जटिल और विलक्षण टोपोलॉजिकल संरचनाएं बनाने की अनुमति दी, जिससे नेस्टेड (nested) स्कीर्मियन्स और सैडल-जैसे (saddle-like) फीचर्स सहित एक समृद्ध आकारों का परिदृश्य प्रकट हुआ। ये जटिल संरचनाएं पारंपरिक तरीकों का उपयोग करके एकल फोटॉन या शास्त्रीय प्रकाश बीमों से प्राप्त करना संभव नहीं था, जो उच्च-आयामी एंटैंगलमेंट के अनूठे लाभ को रेखांकित करता है।
इस अध्ययन के परिणाम पुष्टि करते हैं कि एक एकल निष्क्रिय उपकरण (passive device) का उपयोग करके कई, सह-अस्तित्व वाले क्वांटम स्काईर्मियन्स उत्पन्न करना संभव है। शोधकर्ताओं ने इन अवस्थाओं की फिडेलिटी (fidelity) को मापा, जो 0.77 से 0.87 के आसपास पाई गई, जो इच्छित टोपोलॉजिकल संरचनाओं के निर्माण में उच्च स्तर की सटीकता को दर्शाती है। उन्होंने उत्पन्न अवस्थाओं के लिए टोपोलॉजिकल नंबरों की भी गणना की, जिसमें 0.99, 1.99 और 4.99 जैसे मापे गए मान मिले, जो सैद्धांतिक भविष्यवाणियों से निकटता से मेल खाते हैं। भौतिक उपकरण को बदले बिना, केवल साथी फोटॉन पर माप बदलकर इन विभिन्न टोपोलॉजी के बीच स्विच करने की क्षमता, इस क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण प्रगति का प्रतिनिधित्व करती है। यह जटिल क्वांटम सूचना को संभालने वाले कॉम्पैक्ट सिस्टम बनाने के लिए एक नया मार्ग सुझाता है, जो संभावित रूप से क्वांटम संचार और सूचना प्रसंस्करण के लिए अधिक मजबूत तरीकों की ओर ले जा सकता है। संरचित एंटैंगल्ड फोटॉन्स को संरचित पदार्थ के साथ इंटरफेस करके, शोधकर्ताओं ने प्रकाश की टोपोलॉजिकल सूचना क्षमता को बढ़ाने की एक नई क्षमता स्थापित की है, जो एकल-अवस्था पीढ़ी की बाधाओं से परे जाकर मल्टी-चैनल टोपोलॉजिकल नेटवर्क के द्वार खोलती है।
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