Probabilistic generation of two-mode binomial cat states using cross-Kerr interactions

क्वांटम तकनीक एक विचित्र प्रकार के निर्माण खंड (building block) पर निर्भर करती है: पदार्थ की एक ऐसी अवस्था जो एक ही समय में दो बहुत अलग रूपों में मौजूद होती है। कल्पना कीजिए कि एक प्रकाश तरंग एक ही समय में उज्ज्वल और मंद दोनों है, या एक यांत्रिक वस्तु कंपन कर रही है और स्थिर भी है। वैज्ञानिक इन्हें "कैट स्टेट्स" (cat states) कहते हैं, यह नाम एक प्रसिद्ध विचार प्रयोग से लिया गया है जिसमें एक बिल्ली एक प्रसिद्ध प्रयोग के अनुसार तब तक जीवित और मृत दोनों है जब तक कि उसे देखा न जाए। ये सुपरपोजिशन भविष्य के क्वांटम कंप्यूटरों और अति-सटीक सेंसरों के इंजन रूम हैं। जबकि शोधकर्ताओं ने प्रकाश की एक एकल किरण का उपयोग करके इन अवस्थाओं के सरल संस्करण बनाना सीख लिया है, सबसे शक्तिशाली संस्करणों के लिए दो किरणों के एक अधिक जटिल व्यवस्था की आवश्यकता होती है जो पूरी तरह से सिंक्रोनाइज़्ड (तुल्यकालिक) हों। चुनौती हमेशा यह रही है कि इन दो-किरणों वाली अवस्थाओं को बनाने के लिए आमतौर पर एक बहुत ही विशिष्ट, कठिन-से-बनाने वाले प्रकार के प्रकाश की आवश्यकता होती है जो एक सामान्य तरंग की तरह व्यवहार नहीं करता है। इस आवश्यकता ने एक बाधा के रूप में कार्य किया है, जिससे कई संभावित अनुप्रयोग प्रयोगशाला से बाहर निकलने में असमर्थ रहे हैं।

शोधकर्ताओं के एक दल ने अब इन जटिल अवस्थाओं को बनाने का एक नया तरीका प्रस्तावित किया है जो उन कठिन शुरुआती सामग्रियों की आवश्यकता को समाप्त कर देता है। एक दुर्लभ और विलक्षण प्रारंभिक अवस्था की आवश्यकता के बजाय, उनकी विधि केवल मानक, आसानी से बनाए जाने वाले प्रकाश तरंगों का उपयोग करती है। यह प्रक्रिया प्रकाश तरंगों के बीच एक विशिष्ट अंतःक्रिया (interaction) पर निर्भर करती है जो सुपरकंडक्टिंग सामग्रियों से बने एक विशेष सर्किट के भीतर होती है। इस बात पर ध्यान देते हुए कि इन तरंगों कैसे परस्पर क्रिया करती हैं और फिर एक तीसरे, सहायक तरंग पर एक विशिष्ट प्रकार का माप (measurement) करके, शोधकर्ता संकेत दे सकते हैं कि वांछित दो-किरण वाली अवस्था सफलतापूर्वक बन गई है। उनका कार्य यह सुझाव देता है कि यह विधि न केवल सैद्धांतिक रूप से सुदृढ़ है, बल्कि वास्तविक दुनिया की स्थितियों में भी पर्याप्त मजबूत है जहाँ ऊर्जा लगातार वातावरण में नष्ट होती रहती है।

इस नए दृष्टिकोण का मुख्य आधार यह है कि शोधकर्ता सुपरकंडक्टिंग सर्किट के भीतर प्रकाश का हेरफेर कैसे करते हैं। इन सर्किट्स में, प्रकाश तरंगों के रूप में काम करता है जो छोटे रेज़ोनेटरों में फंसी होती हैं। शोधकर्ता सर्किट सामग्रियों के एक प्राकृतिक गुण जिसे "क्रॉस-केर इंटरैक्शन" (cross-Kerr interaction) कहा जाता है, का उपयोग करते हैं। यह प्रभाव प्रकाश की एक तरंग की ऊर्जा को थोड़ा बदल देता है, यह इस बात पर निर्भर करता है कि पड़ोसी तरंग में कितने कण, या फोटॉन, मौजूद हैं। हालांकि यह अंतःक्रिया इन उपकरणों में स्वाभाविक रूप से होती है, शोधकर्ताओं ने इसे उपयोग करने के लिए एक प्रोटोकॉल डिजाइन किया है। वे तीन अलग-अलग प्रकाश तरंगों को तैयार करके शुरुआत करते हैं। इनमें से दो मुख्य तरंगें हैं जिन्हें अंतिम 'कैट स्टेट' बनने के लिए बनाया जाना है, और तीसरी एक सहायक तरंग है जो एक संदेशवाहक के रूप में कार्य करती है। तीनों ही साधारण, मानक प्रकाश तरंगों के रूप में शुरू होते हैं, जो पिछले तरीकों के लिए आवश्यक विलक्षण अवस्थाओं की तुलना में बनाना बहुत आसान है।

एक बार जब तरंगें स्थापित हो जाती हैं, तो उन्हें एक सटीक समय के लिए परस्पर क्रिया करने दिया जाता है। इस अंतराल के दौरान, क्रॉस-केर प्रभाव मुख्य तरंगों में कणों की संख्या को तीसरी सहायक तरंग के फेज (phase), या टाइमिंग, से जोड़ देता है। सहायक तरंग को एक घड़ी की सुई के रूप में सोचें जो मुख्य तरंगों में कणों की संख्या के आधार पर तेज़ या धीमी घूमती है। अंतःक्रिया अवधि समाप्त होने के बाद, शोधकर्ता इस सहायक तरंग पर एक माप करते हैं। यह माप मुख्य तरंगों को नष्ट नहीं करता है; इसके बजाय, यह एक फिल्टर के रूप में कार्य करता है। यदि माप का परिणाम एक विशिष्ट सीमा के भीतर आता है, तो यह पुष्टि करता है कि दो मुख्य तरंगें वांछित जटिल सुपरपोजिशन में ढल गई हैं। यह पुष्टि जिसे वैज्ञानिक "हेराल्डिंग" (heralding) कहते हैं। यह प्रक्रिया संभाव्य (probabilistic) है, जिसका अर्थ है कि यह हर बार सफल नहीं होती है, लेकिन जब यह सफल होती है, तो परिणाम एक उच्च-गुणवत्ता वाली 'कैट स्टेट' होता है।

शोधकर्ताओं ने अपने विचार का विश्लेषण उन सैद्धांतिक व्युत्पत्तियों (derivations) का उपयोग करके किया जिनमें भौतिक दुनिया की अव्यवस्थित वास्तविकता शामिल थी। किसी भी वास्तविक प्रयोग में, प्रकाश सर्किट से बाहर निकलता है, और ऊर्जा वातावरण में नष्ट हो जाती है, जो आमतौर पर नाजुक क्वांटम अवस्थाओं को खराब कर देती है। टीम ने पाया कि उनकी विधि इस नुकसान के प्रति आश्चर्यजनक रूप से लचीली है। उन्होंने यह निष्कर्ष निकाला कि प्रारंभिक सहायक तरंग का आकार एक महत्वपूर्ण कारक है। यदि सहायक तरंग बहुत छोटी है, तो माप विभिन्न परिणामों के बीच स्पष्ट अंतर नहीं कर पाएगा। यदि यह बहुत बड़ी है, तो वातावरण के साथ अंतःक्रिया के कारण माप से पहले ही अवस्था खराब हो जाएगी। एक मध्य मार्ग खोजकर, उन्होंने सहायक तरंग के एक इष्टतम आकार की पहचान की जो इन प्रतिस्पर्धी प्रभावों के बीच संतुलन बनाता है।

वर्तमान सुपरकंडक्टिंग उपकरणों से मेल खाने वाले मापदंडों का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि वे लगभग 95 प्रतिशत की फिडेलिटी (fidelity), या सटीकता, के साथ इन टू-मोड 'कैट स्टेट्स' को उत्पन्न कर सकते हैं। यह उच्च स्तर की सटीकता फोटॉन के नुकसान को ध्यान में रखते हुए भी प्राप्त की गई थी, जो इन प्रणालियों में शोर का प्राथमिक स्रोत है। सफल रन के लिए सफलता दर भी महत्वपूर्ण थी, जिसमें संभावित परिणामों की एक सीमा पर विचार करने पर सफलता की संभावना लगभग 50 प्रतिशत तक पहुँच गई। यह एक महत्वपूर्ण खोज है क्योंकि यह प्रदर्शित करता है कि यह विधि वर्तमान प्रयोगात्मक प्लेटफार्मों के लिए व्यावहारिक है। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि उनका दृष्टिकोण केवल दो तरंगों तक सीमित नहीं है; इसी तर्क का उपयोग तीन या अधिक तरंगों वाले अधिक जटिल अवस्थाओं को बनाने के लिए किया जा सकता है, जो और भी समृद्ध क्वांटम संरचनाओं के द्वार खोलता है।

यह कार्य इस बात में बदलाव है कि वैज्ञानिक क्वांटम संसाधनों के निर्माण के प्रति अपने दृष्टिकोण को कैसे अपना सकते हैं। यह दिखाकर कि जटिल, त्रुटि-सुधारने वाली अवस्थाओं को सरल, गॉसियन (Gaussian) प्रकाश तरंगों से बनाया जा सकता है, टीम ने एक प्रमुख प्रयोगात्मक बाधा को दूर कर दिया है। पिछले तरीकों के लिए एक ऐसी अवस्था से शुरुआत करने की आवश्यकता थी जो पहले से ही पूरी तरह से तैयार हो, जो अक्सर इस प्रक्रिया का सबसे कठिन हिस्सा होता था। यह नया प्रोटोकॉल समस्या को उलट देता है, सरल सामग्रियों का उपयोग करता है और एक चतुर माप के माध्यम से भारी काम (heavy lifting) करता है। उच्च फिडेलिटी के साथ और बिना किसी विलक्षण प्रारंभिक संसाधनों के इन अवस्थाओं को उत्पन्न करने की क्षमता यह दर्शाती है कि मजबूत क्वांटम कंप्यूटर और सेंसर बनाने का मार्ग अधिक स्पष्ट हो रहा है। शोधकर्ताओं ने एक ऐसा ब्लूप्रिंट प्रदान किया है जो मानक घटकों और प्राकृतिक अंतःक्रियाओं पर निर्भर करता है, जिससे बड़े पैमाने की क्वांटम तकनीकों का सपना अधिक सुलभ महसूस होता है।