Enhancing the phase sensitivity of a Mach-Zehnder interferometer beyond the Heisenberg limit through dynamic squeezing

क्वांटम भौतिकी की दुनिया में, वैज्ञानिक लंबे समय से ब्रह्मांड के सूक्ष्मतम बदलावों को पूर्ण सटीकता के साथ मापने का तरीका खोज रहे हैं। कल्पना कीजिए कि एक दर्पण की स्थिति में होने वाले इतने सूक्ष्म परिवर्तन का पता लगाना, जो एक एकल परमाणु की चौड़ाई से भी छोटा हो। ऐसा करने के लिए, शोधकर्ता अक्सर इंटरफेरोमीटर नामक एक उपकरण का उपयोग करते हैं, जो प्रकाश की एक किरण को दो पथों में विभाजित करता है, उन्हें एक यात्रा पर भेजता है, और फिर उन्हें पुन: संयोजित करता है। यदि एक पथ दूसरे की तुलना में थोड़ा लंबा है, तो प्रकाश तरंगें एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप (interfere) करती हैं, जिससे एक पैटर्न बनता है जो अंतर को प्रकट करता है। दशकों तक, इन मापों की सटीकता को 'स्टैंडर्ड क्वांटम लिमिट' (मानक क्वांटम सीमा) नामक एक मौलिक बाधा द्वारा सीमित माना जाता था, जो प्रकाश की अपनी यादृच्छिक प्रकृति द्वारा निर्धारित अनिश्चितता की एक दीवार है। जबकि वैज्ञानिकों ने पाया कि प्रकाश की विशेष, गैर-शास्त्रीय अवस्थाओं (non-classical states) का उपयोग करके इस दीवार को पार कर 'हाइजेनबर्ग लिमिट' (Heisenberg limit) नामक एक उच्च शिखर तक पहुँचा जा सकता है, लेकिन उस अंतिम बाधा को तोड़कर और भी अधिक संवेदनशीलता प्राप्त करना अत्यंत कठिन माना जाता था, क्योंकि इसके लिए अक्सर जटिल और नाजुक सेटअप की आवश्यकता होती थी जिन्हें वास्तविक दुनिया में बनाना कठिन था।

एक नया अध्ययन एक चतुर समाधान प्रस्तावित करता है जो मशीन में जाने वाली सामग्री को बदलने के बजाय, मशीन के माध्यम से यात्रा करते समय प्रकाश के व्यवहार को बदलकर इन पारंपरिक बाधाओं को दरकिनार करता है। एरिजोना स्टेट यूनिवर्सिटी और सैंडिया नेशनल लैबोरेटरीज की एक टीम के साथ काम करते हुए, शोधकर्ताओं ने बिना किसी विदेशी शुरुआती सामग्री की आवश्यकता के, एक मानक इंटरफेरोमीटर की संवेदनशीलता को नाटकीय रूप रूप से बढ़ाने का एक तरीका विकसित किया है। उन्होंने एक प्रकाश पथ में ऑपरेशनों के एक अनुक्रम (sequence) को सम्मिलित करके इसे हासिल किया, जो प्रकाश तरंगों को संकुचित (squeeze) करता है और फिर उन्हें एक तीव्र, वैकल्पिक लय में वापस फैला देता है। यह प्रक्रिया, जिसे वे 'हैमिल्टोनियन एम्प्लीफिकेशन' (Hamiltonian amplification) कहते हैं, माप के कारण होने वाले सूक्ष्म 'फेज शिफ्ट' (phase shift) को प्रभावी रूप से बड़ा कर देती है, जिससे इसे पहचानना बहुत आसान हो जाता है। महत्वपूर्ण बात यह है कि यह वृद्धि इस बात पर निर्भर नहीं करती कि मशीन में किस प्रकार का प्रकाश डाला गया है, चाहे वह प्रकाश की एक मानक लेजर किरण हो या शून्य प्रकाश वाला वैक्यूम (निर्वात) ही क्यों न हो, बशर्ते कि डायनेमिक स्क्वीजिंग प्रोटोकॉल लागू किया जाए।

टीम ने विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से प्रदर्शित किया कि यह डायनेमिक स्क्वीजिंग तकनीक माप की सटीकता को पहले से मानी जाने वाली सीमाओं से कहीं आगे बढ़ा सकती है। अपने मॉडल में, उन्होंने दिखाया कि प्रकाश को एक दिशा में संकुचित करने और फिर दूसरी दिशा में फैलाने के बीच तेजी से बारी-बारी से कार्य करने से, जिस सूक्ष्म संकेत को वे मापने की कोशिश कर रहे थे, वह स्क्वीजिंग की शक्ति पर निर्भर कारक से प्रवर्धित (amplify) हो जाता है। यह प्रवर्धन उपकरण को उस हाइजेनबर्ग लिमिट से भी अधिक सटीकता के साथ फेज शिफ्ट का पता लगाने की अनुमति देता है, जो एक ऐसा कार्य है जिसके लिए आमतौर पर अत्यधिक जटिल, गैर-रैखिक अंतःक्रियाओं (non-linear interactions) की आवश्यकता होती है जिन्हें व्यवहार में साकार करना कठिन होता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह सुधार केवल एक सैद्धांतिक जिज्ञासा नहीं है; मध्यम मात्रा में स्क्वीजिंग के साथ भी, संवेदनशीलता को मानक तरीकों की तुलना में एक क्रम (order of magnitude) से अधिक सुधारा जा सकता है।

सबसे आश्चर्यजनक निष्कर्षों में से एक यह है कि यह विधि तब भी काम करती है जब इंटरफेरोमीटर को वैक्यूम (निर्वात) के साथ फीड किया जाता है, जो एक ऐसी अवस्था है जहाँ शुरुआत में कोई फोटॉन मौजूद नहीं होते हैं। पारंपरिक सेटअप में, वैक्यूम इनपुट से कोई सिग्नल नहीं मिलेगा क्योंकि फेज जानकारी ले जाने के लिए कोई फोटॉन मौजूद नहीं है; हालाँकि, डायनेमिक स्क्वीजिंग प्रक्रिया मशीन के भीतर ही फोटॉन उत्पन्न करती है, जिससे वहां एक सिग्नल बनता है जहाँ पहले कुछ भी नहीं था। यह उपकरण को उस सटीकता के स्तर तक पहुँचने की अनुमति देता है जो वास्तव में माप में उपयोग किए गए फोटॉनों की संख्या द्वारा निर्धारित मौलिक सीमाओं से भी अधिक है। अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि इस विधि को अन्य उन्नत इनपुट अवस्थाओं, जैसे कि 'स्क्वीज़्ड वैक्यूम लाइट' के साथ मिलाने पर यह कैसे प्रदर्शन करती है, जिससे यह दिखाया गया कि डायनेमिक स्क्वीजिंग के लाभों को मौजूदा क्वांटम लाभों के ऊपर भी जोड़ा जा सकता है ताकि एक और भी शक्तिशाली सेंसर बनाया जा सके।

शोधकर्ता इस बात के प्रति सावधान थे कि यह नई विधि वास्तविक दुनिया की अपरिहार्य कमियों, विशेष रूप से सिस्टम के माध्यम से यात्रा करते समय फोटॉनों के नुकसान के विरुद्ध कितनी मजबूत है। किसी भी भौतिक उपकरण में, कुछ प्रकाश हमेशा अवशोषित या बिखरा हुआ होता है, जो आमतौर पर उच्च सटीकता के लिए आवश्यक नाजुक क्वांटम प्रभावों को नष्ट कर देता है। सिमुलेशन से पता चला कि हालांकि फोटॉन हानि बढ़ने के साथ प्रदर्शन घटता है, लेकिन यह विधि चरणों की एक छोटी संख्या के लिए आश्चर्यजनक रूप से लचीली बनी रहती है। संवेदनशीलता में वृद्धि मध्यम स्तर के नुकसान के खिलाफ भी बनी रहती है, जिससे पता चलता है कि यह तकनीक व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए व्यवहार्य हो सकती है बिना पूर्ण, हानि-मुक्त स्थितियों की आवश्यकता के। यह मजबूती एक महत्वपूर्ण प्रगति है, क्योंकि इसका अर्थ है कि स्क्वीजिंग ऑपरेशनों के जटिल अनुक्रमों को पूर्ण होने की आवश्यकता नहीं है ताकि वे वर्तमान तकनीकों की तुलना में भारी लाभ प्रदान कर सकें।

यह कार्य क्वांटम सेंसिंग के लिए एक नया मार्ग सुझाता है, जो केवल शुरुआती बिंदु को बदलने के बजाय प्रकाश की यात्रा को संशोधित करने पर निर्भर करता है। सिंगल-मोड स्क्वीजिंग ऑपरेशनों के एक सरल अनुक्रम का उपयोग करके, जो वर्तमान तकनीक के साथ प्राप्त करने योग्य हैं, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि चुंबकीय क्षेत्र या गुरुत्वाकर्षण तरंगों जैसे भौतिक मात्राओं को मापने की क्षमता में नाटकीय रूप से सुधार करना संभव है। निष्कर्ष बताते हैं कि अति-सटीक मापों का मार्ग आवश्यक रूप से सबसे विदेशी सामग्रियों या सबसे जटिल अंतःक्रियाओं की मांग नहीं करता है, बल्कि इसके बजाय समय के साथ प्रकाश के विकास के हेरफेर में पाया जा सकता है। यह दृष्टिकोण अधिक संवेदनशील ही नहीं, बल्कि वास्तविक दुनिया के परिदृश्यों में लागू करने के लिए अधिक व्यावहारिक सेंसर बनाने के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है, जो ब्रह्मांड की सबसे मंद फुसफुसाहटों का पता लगाने के नए द्वार खोल सकता है।