A photonic source with half-a-GHz single-photon flux
यह शोध पत्र एक नियतात्मक एकल-फोटॉन स्रोत (deterministic single-photon source) की रिपोर्ट करता है जो उच्च उत्तेजना दरों (high excitation rates) को उच्च सिस्टम दक्षता के साथ जोड़कर 100 pW से अधिक की ऑप्टिकल पावर के साथ 500 MHz से अधिक का इन-फाइबर एकल-फोटॉन फ्लक्स प्राप्त करता है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
क्वांटम तकनीक के क्षेत्र में, एक समय में एक कण के रूप में प्रकाश उत्पन्न करने की क्षमता सुरक्षित संचार नेटवर्क और शक्तिशाली नए कंप्यूटर बनाने के लिए एक मौलिक आवश्यकता है। प्रकाश के ये व्यक्तिगत कण, जिन्हें फोटॉन कहा जाता है, सूचना के वाहक के रूप में कार्य करते हैं जिन्हें बिना पता चले कॉपी या इंटरसेप्ट नहीं किया जा सकता है। हालाँकि, इन प्रणालियों को प्रभावी ढंग से काम करने के लिए, इन फोटॉनों का स्रोत शुद्ध और तेज़ दोनों होना चाहिए। शुद्धता यह सुनिश्चित करती है कि उपकरण ठीक एक समय में एक ही फोटॉन उत्सर्जित करे, न कि कई फोटॉनों का एक यादृच्छिक समूह, जबकि गति यह निर्धारित करती है कि एक दिए गए क्षण में कितनी जानकारी भेजी जा सकती है। इन एकल कणों को उत्पन्न करने की क्षमता जितनी अधिक होगी, यह तकनीक वास्तविक दुनिया के उपयोग के लिए उतनी ही व्यावहारिक बनती जाएगी, जिससे यह धीमी प्रयोगशाला प्रयोगों से उच्च-गति डेटा ट्रांसमिशन की ओर बढ़ेगी।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस गति की सीमाओं को आगे बढ़ाते हुए, एक ऐसा उपकरण बनाया है जो प्रति सेकंड 500 मिलियन से अधिक की दर से एकल फोटॉनों की एक धारा (stream) उत्पन्न करता है। यह उपलब्धि एक सॉलिड-स्टेट स्रोत से रिपोर्ट किए गए एकल फोटॉनों के उच्चतम फ्लक्स (flux) का प्रतिनिधित्व करती है। शोधकर्ताओं ने लेजर प्रकाश की एक निरंतर बीम को अत्यंत लघु, सटीक पल्स (pulses) में काटकर यह उपलब्धि हासिल की। फिर उन्होंने इन पल्स का उपयोग एक सूक्ष्म अर्धचालक संरचना (semiconductor structure) को उत्तेजित करने के लिए किया, जिसे क्वांटम डॉट कहा जाता है, जो एक कृत्रिम परमाणु के रूप में कार्य करता है। लेजर पल्स से टकराने पर, यह क्वांटम डॉट ऊर्जा को अवशोषित करता है और तुरंत इसे एक एकल फोटॉन के रूप में पुन: उत्सर्जित करता है। हर सेकंड आधे अरब बार इस प्रक्रिया को दोहराकर, टीम ने प्रकाश की एक स्थिर, उच्च-गति धारा बनाई जो इतनी शक्तिशाली है कि इसे मानक उपकरणों के साथ सीधे मापा जा सके।
इस उच्च गति के पीछे की कुंजी यह है कि शोधकर्ताओं ने लेजर प्रकाश को कैसे तैयार किया। स्वाभाविक रूप से पल्स वाली लेजर का उपयोग करने के बजाय, उन्होंने एक स्थिर, निरंतर बीम से शुरुआत की और प्रकाश के छोटे विस्फोट (bursts) को काटने के लिए इलेक्ट्रॉनिक स्विचों का उपयोग किया। इन विस्फोटों को अत्यधिक सटीकता के साथ समयबद्ध किया गया था, जिससे शोधकर्ताओं को यह नियंत्रित करने में मदद मिली कि प्रत्येक पल्स ठीक कब पहुँचेगी। उन्होंने इस प्रणाली का विभिन्न गतियों पर परीक्षण किया, और अंततः क्वांटम डॉट को प्रति सेकंड एक अरब पल्स की दर से संचालित किया। इस गति पर, क्वांटम डॉट को पिछला फोटॉन पूरी तरह से उत्सर्जित करने से पहले ही फिर से उत्तेजित कर दिया जाता है, जिससे ऐसी स्थिति पैदा होती है जहाँ संकेत आपस में ओवरलैप (overlap) होने लगते हैं। इस भीड़भाड़ के बावजूद, प्रणाली ने उच्च स्तर की गुणवत्ता बनाए रखी, और सफलतापूर्वक एक ऑप्टिकल फाइबर में प्रति सेकंड 500 मिलियन से अधिक एकल फोटॉन पहुँचाए।
अपने स्रोत के प्रदर्शन को सत्यापित करने के लिए, टीम ने प्रकाश के आउटपुट को एक मानक पावर मीटर का उपयोग करके मापा, जो प्रकाश की तीव्रता मापने के लिए प्रयोगशालाओं में पाया जाने वाला एक सामान्य उपकरण है। यह दृष्टिकोण उन्हें जटिल, विशेष डिटेक्टरों की आवश्यकता के बिना अपने सिस्टम की दक्षता की गणना करने का एक सीधा और सरल तरीका प्रदान करता है। उन्होंने पाया कि उनकी उच्चतम ऑपरेटिंग गति पर, स्रोत ने 100 पिकोवाट से अधिक की ऑप्टिकल पावर प्रदान की। यह सुनने में बहुत कम ऊर्जा लग सकती है, लेकिन एकल फोटॉनों की एक धारा के लिए, यह एक महत्वपूर्ण मात्रा है जो पुष्टि करती है कि उपकरण उच्च दक्षता के साथ काम कर रहा है। मापों ने दिखाया कि सिस्टम ने 50 प्रतिशत से अधिक की दक्षता बनाए रखी, जिसका अर्थ है कि क्वांटम डॉट द्वारा उत्पन्न आधे से अधिक फोटॉन उपयोग के लिए फाइबर केबल में सफलतापूर्वक पहुँच गए।
शोधकर्ताओं ने उन्नत क्वांटम अनुप्रयोगों के लिए फोटॉनों की उपयुक्तता सुनिश्चित करने के लिए उनकी गुणवत्ता की भी जांच की। उन्होंने यह जांचा कि क्या प्रकाश वास्तव में एकल पैकेटों में आ रहा है और क्या फोटॉन एक-दूसरे से अविभेदित (indistinguishable) हैं, जो एक आवश्यक गुण है ताकि क्वांटम कंप्यूटर गणना करने के लिए कार्य कर सकें। हालांकि गति बढ़ने के साथ संकेतों के ओवरलैप होने के कारण गुणवत्ता में थोड़ी गिरावट आई, लेकिन परिणाम मजबूत रहे। टीम ने प्रदर्शित किया कि इन चरम दरों पर भी, स्रोत में आवश्यक शुद्धता और अविभेद्यता (indistinguishability) के साथ फोटॉन उत्पन्न करने की क्षमता बनी रही। यह कार्य बताता है कि केवल लेजर पल्स की गति बढ़ाकर, यह संभव है कि उनके उपयोगी गुणों से समझौता किए बिना भारी मात्रा में क्वांटम प्रकाश उत्पन्न किया जा सके।
यह सफलता उन क्वांटम प्रौद्योगिकियों के विकास के लिए एक नया मार्ग प्रदान करती है जिन्हें उच्च डेटा दरों की आवश्यकता होती है। क्योंकि यह स्रोत पर्याप्त प्रकाश उत्पन्न करता है जिसे ऑफ-द-शेल्फ उपकरणों के साथ मापा जा सकता है, यह इन उपकरणों के लक्षण वर्णन (characterization) और अंशांकन (calibration) की प्रक्रिया को सरल बनाता है। इतनी उच्च फ्लक्स दर पर एकल फोटॉन उत्पन्न करने की क्षमता क्वांटम सिमुलेशन में अधिक जटिल प्रयोगों के द्वार खोलती है और मेट्रोलॉजी में प्रकाश को मापने के लिए एक विश्वसनीय मानक के रूप में कार्य कर सकती है। यह सिद्ध करके कि एक सॉलिड-स्टेट स्रोत उच्च दक्षता बनाए रखते हुए गीगाहर्ट्ज़ (gigahertz) की गति पर काम कर सकता है, शोधकर्ताओं ने अगली पीढ़ी के क्वांटम सूचना प्रणालियों के लिए एक महत्वपूर्ण घटक प्रदान किया है, जो अल्ट्रा-फास्ट क्वांटम संचार के वादे को वास्तविकता के करीब लाता है।
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