Spatial correlations of photons interacting via transverse Rydberg blockade
यह शोध पत्र परस्पर क्रिया करने वाले रिडबर्ग पोलरिटोन (Rydberg polaritons) की अनुप्रस्थ स्थानिक गतिशीलता (transverse spatial dynamics) के लिए एक सैद्धांतिक ढांचा विकसित करता है, जो यह प्रकट करता है कि अनुप्रस्थ फोटॉन सहसंबंध विवर्तन (diffraction) और ब्लॉकेड त्रिज्या (blockade radius) द्वारा नियंत्रित होते हैं, जबकि अनुदैर्ध्य सहसंबंध (longitudinal correlations) प्रसार (diffusion) और बैंडविड्थ द्वारा संचालित होते हैं, जिससे ब्लॉकेड त्रिज्या को मापने के लिए एक विशिष्ट तंत्र के रूप में अनुप्रस्थ रिडबर्ग ब्लॉकेड (transverse Rydberg blockade) स्थापित होता है।
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प्रकाश आमतौर पर स्वतंत्र कणों की एक धारा की तरह व्यवहार करता है, जो बिना किसी विचार के एक-दूसरे के पार निकल जाते हैं। प्रकाश को स्वयं के साथ परस्पर क्रिया करने के लिए मजबूर करने के लिए वैज्ञानिकों ने लंबे समय से प्रयास किए हैं, जो कि एक ऐसी उपलब्धि हो सकती है जो सूचनाओं को संसाधित करने और क्वांटम कंप्यूटर बनाने के हमारे तरीके में क्रांति ला सकती है। इसे प्राप्त करने के सबसे आशाजनक तरीकों में से एक में प्रकाश को अत्यंत ठंडे परमाणुओं के बादल के भीतर फंसाना शामिल है। जब इन परमाणुओं को 'रिडबर्ग अवस्था' (Rydberg state) नामक उच्च-ऊर्जा अवस्था में उत्तेजित किया जाता है, तो वे विशाल हो जाते हैं और अपने पड़ोसियों पर एक शक्तिशाली प्रभाव डालते हैं। यह प्रभाव एक "ब्लॉकडे" (blockade) या अवरोध पैदा करता है, जो एक ऐसा क्षेत्र है जहाँ एक उत्तेजित परमाणु की उपस्थिति किसी भी अन्य निकटवर्ती परमाणु को उसी तरह उत्तेजित होने से रोकती है। अतीत में, शोधकर्ताओं ने इस प्रभाव का उपयोग फोटॉन को परस्पर क्रिया करने के लिए सफलतापूर्वक किया है, लेकिन उन्होंने मुख्य रूप से इन अंतःक्रियाओं को एक एकल रेखा के साथ देखा है, जिससे प्रकाश की किरण को एक पतले धागे की तरह माना गया है। इस दृष्टिकोण ने समय के संदर्भ में समृद्ध व्यवहार तो प्रकट किया है, लेकिन इसने अंतःक्रिया की पूर्ण त्रि-आयामी प्रकृति को काफी हद तक अनछुआ छोड़ दिया है।
भौतिकविदों की एक टीम ने अब इस दृष्टिकोण का विस्तार किया है, एक ऐसा सिद्धांत विकसित किया है जो यह वर्णन करता है कि दो फोटॉन न केवल अपने पथ के साथ, बल्कि बीम की चौड़ाई में भी कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। परमाणुओं के द्वि-आयामी (two-dimensional) बादल के माध्यम से फोटॉन की गति का अनुकरण करते हुए, शोधकर्ताओं ने पाया कि इन कणों के एक-दूसरे से बचने के नियम दिशा के आधार पर मौलिक रूप से भिन्न होते हैं। जब प्रकाश के चलने की दिशा में अंतःक्रिया को देखा जाता है, तो फोटॉन इस तरह व्यवहार करते हैं जैसे वे विसरित (diffusing) हो रहे हों, या फैल रहे हों, क्योंकि परमाणु प्रकाश के प्रति प्रतिक्रिया देते हैं। हालाँकि, जब बीम के आर-पार (across the beam) अंततः देखी जाती है, तो फोटॉन प्रकाश तरंगों की तरह व्यवहार करते हैं जो किसी बाधा के चारों ओर विवर्तन (diffract) करते हैं, और प्रकाश की तरंग प्रकृति द्वारा निर्धारित एक पैटर्न में फैलते हैं। यह अंतर महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका अर्थ है कि वह "निषिद्ध क्षेत्र" जहाँ दो फोटॉन एक साथ अस्तित्व में नहीं रह सकते, दो अलग-अलग भौतिक तंत्रों द्वारा एक साथ आकार लिया जाता है।
शोधकर्ताओं ने एक ऐसी स्थिति का मॉडल तैयार किया जहाँ एक लेजर बीम, जो एक चिकनी घंटी के आकार के वक्र (bell curve) जैसी है, एक परमाणु के बादल से गुजरती है जो स्वयं भी एक घंटी के आकार के वक्र जैसा है। उन्होंने गणना की कि दो फोटॉन इस माध्यम से यात्रा करते समय कैसे व्यवहार करते हैं, और उनके आगे की दिशा और बगल की दिशा में एक साथ पाए जाने की संभावना कैसे बदलती है। उनकी गणनाओं ने दिखाया कि वह क्षेत्र जहाँ फोटॉन एक-दूसरे के करीब होने से रोके जाते हैं, एक पूर्ण वृत्त नहीं है। इसके बजाय, यह एक अंडाकार (oval) आकार में खिंच जाता है। इस अंडाकार की लंबाई इस बात से निर्धारित होती है कि परमाणु प्रकाश के प्रति कितनी तेज़ी से प्रतिक्रिया कर सकते हैं, जो अंतःक्रिया के बैंडविड्थ से संबंधित एक कारक है। हालाँकि, अंडाकार की चौड़ाई सीधे 'ब्लॉकडे त्रिज्या' (blockade radius) के भौतिक आकार द्वारा निर्धारित होती है, जो वह दूरी है जिस पर रिडबर्ग परमाणु एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं। यह निष्कर्ष पुष्टि करता है कि अनुप्रस्थ (transverse), या पार्श्व (sideways) अंतःक्रिया, एक विशिष्ट घटना है जिसे अतीत में अध्ययन की गई समय-आधारित अंतःक्रियाओं से स्वतंत्र रूप से मापा जा सकता है।
इस प्रभाव के पैमाने को समझने के लिए, टीम ने ब्लॉकडे के आकार के सापेक्ष आने वाली लेजर बीम के आकार को बदला। जब बीम ब्लॉकडे क्षेत्र की तुलना में बहुत अधिक चौड़ी थी, तो फोटॉन ने आउटपुट बीम के केंद्र में एक स्पष्ट, गहरा छेद बनाया, ठीक वहीं जहाँ ब्लॉकडे उन्हें होने से रोकता है। इस छेद की चौड़ाई ब्लॉकडे त्रिज्या के आकार के बराबर थी, जो कि उन दो दूरियों का लगभग दोगुना है जिनके ऊपर परमाणु एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं। हालाँकि, जब बीम ब्लॉकडे क्षेत्र से संकरी थी, तो प्रभाव बदल गया। वह तीखा छेद गायब हो गया, और इसकी जगह बीम के स्वाभाविक फैलाव के कारण प्रकाश का प्रसार हुआ। यह संक्रमण उस शासन (regime) से एक बदलाव को चिह्नित करता है जहाँ परमाणु अंतःक्रिया हावी होती है, से उस शासन तक जहाँ प्रकाश की तरंग प्रकृति हावी हो जाती है। सिमुलेशन बताते हैं कि बादल से बाहर निकलने के बाद प्रकाश के स्थानिक पैटर्न को मापकर, वैज्ञानिक सीधे ब्लॉकडे त्रिज्या के आकार को निर्धारित कर सकते हैं, जो इन क्वांटम अंतःक्रियाओं को मापने का एक नया और सटीक तरीका प्रदान करता है।
यह कार्य एक गणितीय मॉडल पर आधारित है जो फोटॉन-परमाणु प्रणाली के जटिल नौ-भागों वाले विवरण को एक एकल, आसानी से समझ में आने वाले समीकरण में सरल बनाता है। यह समीकरण दो फोटॉन को एक एकल इकाई के रूप में मानता है जो परमाणुओं द्वारा आकार दिए गए परिदृश्य से गुजरती है। इस परिदृश्य में, परमाणु एक 'पोटेंशियल हिल' (potential hill) की तरह कार्य करते हैं जिसे फोटॉन को पार करना होता है। मॉडल दिखाता है कि फोटॉन बीम के पथ के साथ अलग तरह से चलते हैं, तुलना में जो बीम के आर-पार चलते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक कण एक ऐसे माध्यम से गुजरता है जो अलग-अलग दिशाओं में अलग-अलग प्रतिरोध प्रदान करता है। शोधकर्ताओं ने अपने सरलीकृत मॉडल को पूर्ण, विस्तृत संख्यात्मक सिमुलेशन के विरुद्ध तुलना करके सत्यापित किया, और परिणाम बारीकी से मेल खाते थे। यह सहमति विश्वास दिलाती है कि सरलीकृत चित्र हर बार सबसे जटिल संस्करण के समीकरणों को हल करने की आवश्यकता के बिना, आवश्यक भौतिकी को पकड़ लेता है।
ये निष्कर्ष स्थापित करते हैं कि अनुप्रस्थ रिडबर्ग ब्लॉकडे (transverse Rydberg blockade) फोटॉन के बीच सहसंबंध बनाने के लिए एक मापने योग्य और विशिष्ट तंत्र है। जबकि पिछले प्रयोगों ने इस बात पर ध्यान केंद्रित किया है कि फोटॉन समय में कैसे समूह बनाते हैं या एक-दूसरे से बचते हैं, यह कार्य दिखाता है कि वे स्थान (space) में भी ऐसा करते हैं। इन स्थानिक सहसंबंधों को नियंत्रित और मापने की क्षमता उच्च आयामों में मौजूद प्रकाश के जटिल क्वांटम अवस्थाओं को बनाने का मार्ग प्रशद करती है। ऐसी अवस्थाएँ सरल ऑन-ऑफ संकेतों की तुलना में अधिक जानकारी ले सकती हैं, जो क्वांटम संचार और कंप्यूटिंग के लिए नए संसाधन प्रदान करती हैं। अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि इसने अभी तक कोई कार्यशील उपकरण बनाया है, लेकिन यह उन प्रयोगों को डिजाइन करने के लिए आवश्यक सैद्धांतिक आधार और विशिष्ट भविष्यवाणियाँ प्रदान करता है। यह दिखाते हुए कि ब्लॉकडे त्रिज्या यह निर्धारित करती है कि अनुप्रस्थ दिशा में फोटॉन कितनी निकट आ सकते हैं, शोधकर्ताओं ने एक नया अवलोकन (observable) की पहचान की है जिसका उपयोग प्रकाश-द्रव्य अंतःक्रिया के मूलभूत गुणों की जांच के लिए किया जा सकता है।
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