A heterogeneously integrated coupled-cavity frequency beam splitter
यह शोध पत्र एक विषम रूप से एकीकृत (heterogeneously integrated) थिन-फिल्म लिथियम-नियोबेट-ऑन-सिलिकॉन कपल्ड-कैविटी मॉड्यूलेटर का प्रदर्शन करता है जो ट्यूनेबल द्विदिश आवृत्ति मोड रूपांतरणों को सक्षम बनाता है, जैसे कि 50/50 बीम स्प्लिटिंग और लगभग पूर्ण फ्रीक्वेंसी स्वैपिंग, जो उच्च-आयामी क्वांटम सूचना प्रसंस्करण के लिए एक स्केलेबल और लचीला प्लेटफॉर्म प्रदान करता है।
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क्वांटम कंप्यूटिंग की दुनिया में, सूचना अक्सर प्रकाश के व्यक्तिगत कणों द्वारा ले जाई जाती है, जिन्हें फोटॉन कहा जाता है। इन कणों को जटिल गणनाओं के लिए उपयोगी बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को उन्हें अत्यधिक सटीकता के साथ नियंत्रित करने में सक्षम होना चाहिए। इस जानकारी को संग्रहीत और संसाधित करने का एक आशाजनक तरीका प्रकाश के रंग, या आवृत्ति (फ्रीक्वेंसी) का उपयोग करना है। जिस तरह एक रेडियो स्टेशन विभिन्न चैनलों को प्रसारित करने के लिए अलग-अलग आवृत्तियों पर प्रसारण कर सकता है, उसी तरह एक एकल फोटॉन एक साथ कई अलग-अलग आवृत्तियों के सुपरपोजिशन (superposition) में मौजूद हो सकता है। यह विधि, जिसे फ्रीक्वेंसी एनकोडिंग कहा जाता है, प्रकाश की दिशा या उसके आगमन के समय पर निर्भर करने वाली अन्य विधियों की तुलना में बहुत अधिक सूचना घनत्व की अनुमति देती है। हालाँकि, इस दृष्टिकोण का उपयोग करके एक कार्यशील कंप्यूटर बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को इन विभिन्न आवृत्ति रंगों को सुसंगत रूप से मिलाने का एक तरीका चाहिए, ठीक वैसे ही जैसे एक बीम स्प्लिटर पानी की दो धाराओं को मिलाता है। चुनौती एक ऐसा उपकरण बनाने की रही है जो इस नाजुक क्वांटम जानकारी को खोए बिना कुशलतापूर्वक ऐसा कर सके, और वह भी एक छोटे चिप पर फिट हो सके जो भविष्य में कई अन्य आवश्यक घटकों को भी धारण कर सके।
सैनडिया नेशनल लैबोरेटरीज के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक नए उपकरण का प्रदर्शन किया है जो दो अलग-अलग सामग्रियों को एक ही, अत्यधिक कार्यात्मक चिप में संयोजित करके इस समस्या को हल करता है। उन्होंने एक ऐसा घटक बनाया है जो एक ट्यूनेबल फ्रीक्वेंसी बीम स्प्लिटर के रूप में कार्य करता है, जो एक रंग के प्रकाश को दो में विभाजित करने में सक्षम है, या इसे पूरी तरह से दूसरे रंग में बदल सकता है, और यह सब केवल एक विशिष्ट विद्युत संकेत लागू करके संभव होता है। यह उपकरण सिलिकॉन की नींव पर बना है, वही सामग्री जिसका उपयोग मानक कंप्यूटर चिप्स में किया जाता है, जो इसे स्थापित, उच्च-मात्रा वाले कारखाने के प्रक्रियाओं का उपयोग करके निर्मित करने की अनुमति देता है। इस सिलिकॉन आधार पर, शोधकर्ताओं ने लिथियम नायोबेट की एक अत्यंत पतली परत को बॉन्ड किया है, जो एक ऐसा क्रिस्टल है जो विद्युत क्षेत्र लागू होने पर अपने ऑप्टिकल गुणों को बदलने की क्षमता के लिए जाना जाता है। यह हाइब्रिड दृष्टिकोण, जिसे हेटेरोजीनियस इंटीग्रेशन (heterogeneous integration) कहा जाता है, टीम को सिलिकॉन उद्योग की सर्वोत्तम विनिर्माण क्षमताओं का लाभ उठाने के साथ-साथ क्रिस्टल के शक्तिशाली प्रकाश-हेरफेर कौशल को जोड़ने की अनुमति देता है।
उपकरण का मुख्य भाग दो बहुत पास रखे गए छोटे, छल्ले के आकार के ऑप्टिकल रेज़ोनेटर (optical resonators) से बना है। ये छल्ले इतने करीब हैं कि प्रकाश तरंगें एक से दूसरे में लीक हो सकती हैं, जिससे एक साझा अवस्था (shared state) बनती है जहाँ दोनों छल्ले एक एकल इकाई के रूप में कार्य करते हैं। जब शोधकर्ता क्रिस्टल परत पर माइक्रोवेव सिग्नल लागू करते हैं, तो यह इन छल्लों के भीतर प्रकाश को हिला देता है, जिससे दो साझा अवस्थाएं आपस में क्रिया करती हैं। इस माइक्रोवेव सिग्नल की शक्ति को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, वे बिल्कुल नियंत्रित कर सकते हैं कि प्रकाश कैसे व्यवहार करता है। एक विशिष्ट सेटिंग पर, उपकरण आने वाले प्रकाश को दो अलग-अलग फ्रीक्वेंसी मोड के बीच समान रूप से विभाजित करता है, जिससे एक सटीक 50/50 का विभाजन बनता है। एक मजबूत सेटिंग पर, यह प्रकाश को एक फ्रीक्वेंसी से दूसरी फ्रीक्वेंसी में पूरी तरह से बदल सकता है, जो प्रभावी रूप से फोटॉन के रंग को बदल देता है। अपने प्रयोगों में, टीम ने दिखाया कि वे मूल रंग को 20 डेसिबल से अधिक दबाते हुए इस पूर्ण परिवर्तन को प्राप्त कर सकते हैं, जो एक ऐसी सटीकता का स्तर है जो इंगित करता है कि बहुत कम ऊर्जा या अनचाहे दुष्प्रभावों के कारण नष्ट होती है।
इस उपलब्धि को जो बात विशेष रूप से महत्वपूर्ण बनाती है, वह केवल उपकरण का प्रदर्शन नहीं है, बल्कि इसे बनाने के लिए उपयोग की गई विधि का लचीलापन है। चूंकि क्रिस्टल परत को सिलिकॉन चिप पर सिलिकॉन के पहले से निर्मित होने के बाद बॉन्ड किया जाता है, इसलिए उसी प्लेटफॉर्म का उपयोग क्वांटम कंप्यूटर के अन्य आवश्यक भागों को एकीकृत करने के लिए किया जा सकता है। इसका अर्थ यह है कि भविष्य में, एक एकल चिप में वे प्रकाश स्रोत हो सकते हैं जो फोटॉन बनाते हैं, वे फिल्टर जो सिग्नल को साफ करते हैं, वे स्विच जो सूचना को रूट करते हैं, और वे डिटेक्टर जो अंतिम परिणाम को पढ़ते हैं, और ये सभी एक साथ सहजता से काम करते हैं। इस दृष्टिकोण को यह सिद्ध करने के लिए कि यह केवल एक प्रकार के क्रिस्टल तक सीमित नहीं है, शोधकर्ताओं ने उसी सिलिकॉन प्लेटफॉर्म पर एक अलग सामग्री, लिथियम टेंटलेट (lithium tantalate) को भी बॉन्ड किया। हालांकि इस दूसरी सामग्री ने थोड़ा अलग प्रदर्शन किया, फिर भी यह काम कर गया, जो यह दर्शाता है कि विनिर्माण प्रक्रिया अंतिम सर्किट की विशिष्ट आवश्यकताओं के आधार पर विभिन्न सामग्रियों को समायोजित करने के लिए पर्याप्त मजबूत है।
शोधकर्ताओं ने रिंग्स में लेजर लाइट भेजकर और माइक्रोवेव सिग्नल की शक्ति को कम से उच्च की ओर घुमाकर उपकरण के प्रदर्शन को मापा। उन्होंने देखा कि जैसे-जैसे सिग्नल बढ़ता है, प्रकाश अपनी मूल फ्रीक्वेंसी में रहने से, समान रूप से विभाजित होने और अंततः नई फ्रीक्वेंसी में लगभग पूरी तरह से परिवर्तित होने की ओर सुचारू रूप से संक्रमण करता है। उन्होंने पाया कि उपकरण तब सबसे अच्छा काम करता है जब सिलिकॉन वेवगाइड्स को थोड़ा 'ओवर-कपल्ड' (over-coupled) डिज़ाइन किया जाता है, जो एक विशिष्ट स्थिति है जहाँ प्रकाश मिश्रण प्रक्रिया को अनुकूलित करने की दर पर रिंग्स में प्रवेश करता है और बाहर निकलता है। टीम ने यह भी पुष्टि की कि उपकरण इस बात पर समान रूप से काम करता है कि दो फ्रीक्वेंसी मोड में से किसे शुरुआती बिंदु के रूप में उपयोग किया जा रहा है। ये परिणाम स्केलेबल क्वांटम फोटोनिक सर्किट बनाने के लिए एक स्पष्ट मार्ग का सुझाव देते हैं, जहाँ सिस्टम की जटिलता अब व्यक्तिगत घटकों के निर्माण की कठिनाई द्वारा सीमित नहीं है, बल्कि उन्हें एक एकल, बहुमुखी चिप पर एकीकृत करने की क्षमता द्वारा निर्धारित होती है।
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