Spin-to-polarization mapping with a coherent quantum dot-cavity receiver

क्वांटम इंटरनेट बनाने की खोज में, वैज्ञानिक एक मौलिक समस्या को हल करने का प्रयास कर रहे हैं: प्रकाश और पदार्थ के बीच पूर्ण रूप से संवाद कैसे स्थापित किया जाए। प्रकाश, फोटॉन के रूप में, लंबी दूरी तक सूचना ले जाने के लिए उत्कृष्ट है क्योंकि यह तेज चलता है और आसानी से बाधित नहीं होता है। पदार्थ, विशेष रूप से ठोस सामग्रियों के भीतर फंसे इलेक्ट्रॉन जैसे सूक्ष्म कण, उस सूचना को संग्रहीत करने के लिए उत्कृष्ट हैं क्योंकि वे एक स्थान पर स्थिर रहते हैं। चुनौती इन दोनों के बीच एक सेतु बनाने की है। एक क्वांटम नेटवर्क के काम करने के लिए, एक स्थिर इलेक्ट्रॉन को गुजरते हुए फोटॉन की अवस्था को एक अनुमानित तरीके से बदलने में सक्षम होना चाहिए, और बदले में, उस फोटॉन को इलेक्ट्रॉन की अवस्था को प्रकट करने में सक्षम होना चाहिए। यदि यह संबंध अव्यवस्थित या यादृच्छिक है, तो सूचना लुप्त हो जाती है। शोधकर्ता लंबे समय से एक ऐसे उपकरण की तलाश कर रहे थे जहाँ इलेक्ट्रॉन के स्पिन—एक गुण जिसे एक छोटे आंतरिक कंपास के रूप में सोचा जा सकता है जो ऊपर या नीचे की ओर इशारा करता है—को केवल एक परावर्तित प्रकाश कण के रंग या अभिविन्यास (orientation) को देखकर पढ़ा जा सके।

फ्रांस के सेंटर डी नैनोसाइंसेज एंड नैनोटेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस लक्ष्य की ओर एक महत्वपूर्ण कदम प्रदर्शित किया है। उन्होंने एक विशेष उपकरण बनाया जिसमें क्रिस्टल के एक सूक्ष्म स्तंभ (microscopic pillar) के भीतर एक एकल इलेक्ट्रॉन फंसा हुआ है, जो प्रकाश के लिए एक उच्च गुणवत्ता वाले दर्पण के रूप में कार्य करता है। इस उपकरण पर लेजर बीम दागकर, उन्होंने दिखाया कि इलेक्ट्रॉन का आंतरिक कंपास दिशा सीधे परावर्तित प्रकाश के अभिविन्यास को नियंत्रित करती है। जब इलेक्ट्रॉन एक दिशा में होता है, तो परावर्तित प्रकाश एक दिशा में मुड़ता है; जब वह दूसरी दिशा में होता है, तो प्रकाश विपरीत दिशा में मुड़ता है। यह इलेक्ट्रॉन की अदृश्य अवस्था और प्रकाश की दृश्य अवस्था के बीच एक पूर्ण, एक-से-एक संबंध बनाता है। टीम ने सिद्ध किया कि केवल एक परावर्तित फोटॉन का पता लगाकर, वे 95% सटीकता के साथ इलेक्ट्रॉन की अवस्था का निर्धारण कर सकते थे। इसके अलावा, उन्होंने यह भी देखा कि इलेक्ट्रॉन की अवस्था समय के साथ कैसे धीरे-धीरे कम होती है, जिसके लिए उन्होंने पहले डिटेक्शन के क्षणों के बाद प्रकाश के अभिविन्यास में होने वाले परिवर्तन को ट्रैक किया, जिससे प्रभावी रूप से इलेक्ट्रॉन के जीवन चक्र को प्रकाश के व्यवहार पर मैप किया गया।

यह प्रयोग एक 'चार्ज्ड क्वांटम डॉट' नामक उपकरण पर आधारित था, जो अनिवार्य रूप से अर्धचालक (semiconductor) सामग्री का एक छोटा द्वीप है जो एक एकल इलेक्ट्रॉन को धारण करने में सक्षम है। इस द्वीप को एक माइक्रो-पिलर कैविटी के भीतर रखा गया था, जो क्रिस्टल की वैकल्पिक परतों से बनी एक संरचना है जो प्रकाश को कैद करती है, जिससे वह बाहर निकलने से पहले कई बार वापस उछलने (bounce) के लिए मजबूर होता है। यह बंधन प्रकाश और इलेक्ट्रॉन के बीच की अंतःक्रिया (interaction) को बढ़ाता है। शोधकर्ताओं ने पूरे सेटअप को 4 केल्विन तक ठंडा किया, जो परम शून्य (absolute zero) से थोड़ा ऊपर का तापमान है, ताकि इलेक्ट्रॉन को शांत और स्थिर रखा जा सके। उन्होंने पिलर के शीर्ष पर एक विशिष्ट आवृत्ति पर ट्यून की गई निरंतर लेजर बीम छोड़ी। जैसे ही प्रकाश उपकरण से टकराया, उसका कुछ हिस्सा तुरंत वापस उछल गया, जबकि कुछ हिस्सा कैविटी में प्रवेश कर गया, इलेक्ट्रॉन के साथ अंतःक्रिया की, और फिर वापस बाहर निकल आया। मुख्य खोज यह थी कि डिवाइस से बाहर निकलते समय प्रकाश का अपने आप के साथ होने वाला हस्तक्षेप (interference) पूरी तरह से इस बात पर निर्भर था कि इलेक्ट्रॉन 'स्पिन अप' (ऊपर) है या 'स्पिन डाउन' (नीचे)।

इस संबंध को सिद्ध करने के लिए, वैज्ञानिकों ने दो पोलारिमेटरों का उपयोग करके एक परिष्कृत मापन प्रणाली स्थापित की, जो प्रकाश तरंगों के सटीक अभिविन्यास का पता लगाने वाले उपकरण हैं। उन्होंने सबसे पहले प्रकाश के औसत व्यवहार को मापा ताकि उस सटीक ट्यूनिंग बिंदु का पता लगाया जा सके जहाँ दोनों इलेक्ट्रॉन अवस्थाओं के बीच का अंतर सबसे स्पष्ट हो। एक बार जब उन्होंने यह 'स्वीट स्पॉट' ढूंढ लिया, तो उन्होंने फोटॉनों के जोड़ों से जुड़े एक अधिक सूक्ष्म प्रयोग की शुरुआत की। उन्होंने पहले फोटॉन के डिवाइस से परावर्तित होने और एक विशिष्ट अभिविन्यास में पता लगाए जाने का इंतजार किया। यह डिटेक्शन एक स्नैपशॉट की तरह कार्य करता है, जो उस सटीक क्षण में इलेक्ट्रॉन की अवस्था को प्रकट करता है। यदि पहला फोटॉन एक विशिष्ट घुमाव (twist) के साथ वापस आया, तो शोधकर्ताओं को पता चल गया कि इलेक्ट्रॉन संभवतः ऊपर की ओर इशारा कर रहा था। इसके बाद, उन्होंने यह देखने के लिए एक बहुत ही सूक्ष्म सेकंड का इंतजार किया कि दूसरा फोटॉन क्या करेगा।

परिणामों ने समय के साथ एक स्पष्ट कहानी पेश की। पहले फोटॉन के पता लगाए जाने के तुरंत बाद, दूसरा फोटॉन उसी अभिविन्यास के साथ परावर्तित हुआ, जिससे पुष्टि हुई कि इलेक्ट्रॉन की अवस्था को सफलतापूर्वक प्रोजेक्ट किया गया था और वह उस संक्षिप्त क्षण के लिए स्थिर थी। हालाँकि, जैसे-जैसे समय बीतता गया, दूसरे फोटॉन का अभिविन्यास बदलने लगा। यह बदलाव यादृच्छिक नहीं था; यह एक अनुमानित पैटर्न का पालन कर रहा था क्योंकि इलेक्ट्रॉन स्वाभाविक रूप से अपनी विशिष्ट अवस्था से एक मिश्रित, अनिश्चित अवस्था में वापस लौट रहा था। शोधकर्ताओं ने इस विश्रांति प्रक्रिया (relaxation process) को मापा और पाया कि इलेक्ट्रॉन ने लगभग 1.9 नैनोसेकंड तक अपना विशिष्ट अभिविन्यास बनाए रखा, इससे पहले कि जानकारी धुंधली होने लगे। यह समय सीमा आसपास के परमाणु नाभिकों के साथ इलेक्ट्रॉन की प्राकृतिक अंतःक्रिया, जिसे हाइपरफाइन इंटरैक्शन कहा जाता है, द्वारा सीमित थी।

टीम ने एक बहुत ही तेज़ प्रारंभिक चरण भी देखा जो लगभग 200 पिकोसेकंड तक चला, जो वह समय है जो प्रकाश को कैविटी के भीतर इलेक्ट्रॉन के साथ एक स्थिर अंतःक्रिया बनाने में लगता है। इस संक्षिप्त क्षण के दौरान, प्रकाश का व्यवहार अभी भी स्थिर हो रहा था, लेकिन एक बार जब यह क्षणिक चरण (transient phase) समाप्त हो गया, तो इलेक्ट्रॉन के स्पिन और प्रकाश के ध्रुवीकरण (polarization) के बीच स्पष्ट, विशिष्ट संबंध उभर आया। विभिन्न समय विलंब (time delays) पर प्रकाश को मापकर, शोधकर्ता इलेक्ट्रॉन की अवस्था के संपूर्ण जीवन चक्र को पुनर्गठित कर सके, जो उसके पहले फोटॉन द्वारा परिभाषित होने के क्षण से लेकर उसके अर्थ खोने के क्षण तक है। उन्होंने पाया कि इलेक्ट्रॉन की दो संभावित अवस्थाएं ऐसा प्रकाश उत्पन्न करती थीं जो लगभग एक-दूसरे के बिल्कुल विपरीत था, जैसे दो तीर बिल्कुल विपरीत दिशाओं में इशारा कर रहे हों।

यह कार्य यह प्रदर्शित करता है कि एक ऐसा सिस्टम इंजीनियर करना संभव है जहाँ एक एकल इलेक्ट्रॉन और एक एकल फोटॉन उच्च सटीकता के साथ जुड़े होते हैं। हालांकि वर्तमान उपकरण इस बात से सीमित है कि इलेक्ट्रॉन अपनी अवस्था को छोड़ने से पहले कितनी देर तक बनाए रखता है, शोधकर्ताओं का सुझाव है कि एक अलग प्रकार के कण, जैसे कि एक "होल" (जो इलेक्ट्रॉन की अनुपस्थिति है), का उपयोग करके इस समय को काफी बढ़ाया जा सकता है। इस तरह के नियत (deterministic) तरीके से प्रकाश का उपयोग करके क्वांटम सूचना को पढ़ने और लिखने की क्षमता भविष्य के क्वांटम कंप्यूटरों के बुनियादी निर्माण खंडों, यानी क्वांटम लॉजिक गेट्स के निर्माण के लिए एक आधारभूत आवश्यकता है। यह सिद्ध करके कि एक एकल परावर्तन एक स्थिर क्यूबिट (qubit) की अवस्था को प्रकट कर सकता है और इस अवस्था को समय के साथ ट्रैक किया जा सकता है, यह अध्ययन क्वांटम इंटरनेट के लिए आवश्यक जटिल नेटवर्क बनाने की दिशा में एक ठोस मार्ग प्रदान करता है। निष्कर्ष पुष्टि करते हैं कि सही सामग्री और सावधानीपूर्वक ट्यूनिंग के साथ, क्वांटम यांत्रिकी की अराजक दुनिया का उपयोग प्रकाश और पदार्थ के बीच विश्वसनीय, नियंत्रणीय कनेक्शन बनाने के लिए किया जा सकता है।