Heterogeneously Integrated Efficient and Widely Tunable Lasers at 795 nm for Rubidium-Based Quantum Technologies

कंप्यूटिंग के भविष्य को छोटा करने की चुनौती को समझने के लिए, सबसे पहले उन परमाणुओं को देखना होगा जो इसे शक्ति प्रदान कर सकते हैं। वैज्ञानिक तेजी से रुबिडियम परमाणुओं के बादलों की ओर मुड़ रहे हैं, जो कि सूक्ष्म तटस्थ कण हैं जिन्हें सूचना संग्रहीत करने या अविश्वसनीय सटीकता के साथ समय बनाए रखने के लिए प्रकाश के माध्यम से नियंत्रित किया जा सकता है। ये परमाणु अगली पीढ़ी के क्वांटम कंप्यूटरों और अति-सटीक परमाणु घड़ियों के लिए निर्माण खंड (building blocks) के रूप में कार्य करते हैं। हालांकि, उन्हें नियंत्रित करने के लिए वर्तमान में भारी, नाजुक उपकरणों की आवश्यकता होती है जो केवल प्रयोगशालाओं में पाए जाते हैं। इन तकनीकों को प्रयोगशाला के बाहर उपयोगी बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को संपूर्ण नियंत्रण प्रणाली को एक माइक्रोचिप के आकार तक छोटा करने की आवश्यकता है। सबसे बड़ी बाधा स्वयं प्रकाश स्रोत रही है: लेजर। एक ऐसा लेजर बनाना जो चिप पर फिट होने के लिए पर्याप्त छोटा हो, फिर भी इन नाजुक परमाणुओं के साथ परस्पर क्रिया करने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली और स्थिर हो, एक निरंतर बाधा बना हुआ है। प्रकाश को शुद्ध, स्थिर और ट्यून करने योग्य होना चाहिए, लेकिन इन लेजरों को बनाने के तरीकों में से पारंपरिक तरीके अक्सर एक ही सूक्ष्म सतह पर विभिन्न सामग्रियों को मिलाने का प्रयास करते समय विफल हो जाते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक नए तरीके से सिलिकॉन चिप्स पर सीधे लेजर बनाने का विकास करके इस बाधा को पार कर लिया है, जो विशेष रूप से रुबिडियम परमाणुओं को नियंत्रित करने के लिए आवश्यक तरंग दैर्ध्य (wavelength) के लिए ट्यून किया गया है। उनका कार्य एक ऐसी विधि पेश करता है जो उन्हें एक सिलिकॉन प्लेटफॉर्म पर छोटे, पूर्व-निर्मित लेजर घटकों को प्रिंट करने की अनुमति देता है, जिससे ऐसे उपकरण बनते हैं जो न केवल सघन हैं बल्कि उल्लेखनीय रूप से शक्तिशाली और कुशल भी हैं। 'माइक्रो-ट्रांसफर प्रिंटिंग' नामक तकनीक का उपयोग करके, वे एक प्रकाश-प्रवर्धन घटक (light-amplifying component) को सीधे एक सिलिकॉन वेवगाइड के विरुद्ध रखने में सक्षम हुए, जो अनिवार्य रूप से उन्हें एक दूसरे के साथ इस तरह जोड़ता है कि प्रकाश निर्बाध रूप से एक से दूसरे में प्रवाहित हो सके। यह सरल लेकिन प्रभावी कनेक्शन उस प्रमुख समस्या का समाधान करता है जिसने पिछले प्रयासों को परेशान किया है: विभिन्न सामग्रियों के बीच ऊर्जा खोए बिना या बहुत अधिक गर्मी उत्पन्न किए बिना प्रकाश को पारित करने की कठिनाई। परिणाम एक लेजर प्रणाली है जिसे बड़े पैमाने पर निर्मित किया जा सकता है, जो वर्तमान में क्वांटम अनुसंधान में उपयोग किए जाने वाले भारी, टेबल-टॉप उपकरणों को बदलने का मार्ग प्रदान करती है, जो एक एकल चिप पर फिट हो सके।

शोधकर्ताओं ने इस नई एकीकरण विधि का उपयोग करके दो अलग-अलग प्रकार के लेजर प्रदर्शित किए, दोनों को परमाणु भौतिकी की सख्त मांगों को पूरा करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। पहला एक सघन, कम शोर वाला लेजर है जिसे 'माइक्रोगियर लेजर' के रूप में जाना जाता है। यह उपकरण अविश्वसनीय रूप से छोटा है, जिसका माप केवल 1.5 मिलीमीटर द्वारा 0.25 मिलीमीटर है, फिर भी यह 22 मिलीवाट से अधिक की शक्ति के साथ प्रकाश की एक बीम उत्पन्न करता है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि यह जो प्रकाश उत्सर्जित करता है वह असाधारण रूप से शुद्ध है, जिसकी मौलिक लाइनविड्थ (linewidth) केवल 3 किलोहर्ट्ज़ है। लेजर की दुनिया में, इस संकीर्णता का अर्थ है कि प्रकाश अत्यंत स्थिर और सटीक है, जो परमाणुओं को ठंडा करने और उन्हें क्वांटम संचालन के लिए तैयार करने के लिए आवश्यक गुण है। यह उपकरण 9.4 प्रतिशत की 'वॉल-प्लग दक्षता' भी प्राप्त करता है, जिसका अर्थ है कि यह विद्युत शक्ति को प्रकाश में उच्च स्तर की प्रभावशीलता के साथ परिवर्तित करता है, एक ऐसा प्रदर्शन स्तर जो वाणिज्यिक लेजरों के बराबर है लेकिन बहुत छोटे पैकेज में। यह दक्षता उनके प्रिंटिंग तरीके का सीधा परिणाम है, जो गर्मी को आसानी से सिलिकॉन सबस्ट्रेट में निकलने देता है, जिससे लेजर को अत्यधिक गर्म होने और शक्ति खोने से रोका जा सके।

दूसरा उपकरण जो उन्होंने बनाया है, वह एक व्यापक रूप से ट्यून करने योग्य लेजर है, जिसे केवल कच्ची स्थिरता के बजाय लचीलापन प्रदान करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह लेजर प्रकाश के विशिष्ट रंगों को चुनने के लिए वलय-आकार के फिल्टर (ring-shaped filters) की एक चतुर व्यवस्था का उपयोग करता है, जिससे आउटपुट तरंग दैर्ध्य को एक विस्तृत श्रृंखला में समायोजित किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि इस लेजर को 9 नैनोमीटर की मोटे तौर पर सीमा (coarse range) में ट्यून किया जा सकता है, जो रुबिडियम अंतःक्रियाओं के लिए आवश्यक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य को कवर करता है। उस सीमा के भीतर, यह 140 गीगाहर्ट्ज़ से अधिक के विस्तार पर सूक्ष्म समायोजन कर सकता है, और यह 45 गीगाहर्ट्ज़ की निरंतर सीमा के लिए विभिन्न मोड के बीच बिना कूदे (jumping) कर सकता है। प्रकाश के रंग को इतनी सहजता और सटीकता से बदलने की यह क्षमता रुबिडियम परमाणुओं के विशिष्ट ऊर्जा संक्रमणों (energy transitions) के साथ लेजर को लॉक करने के लिए महत्वपूर्ण है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि प्रणाली समय के साथ स्थिर बनी रहे। टीम ने इस लेजर घटक को सिलिकॉन नाइट्राइड से बने फीडबैक लूप के साथ जोड़कर यह उपलब्धि हासिल की, जो एक ऐसा पदार्थ है जो कम ऑप्टिकल लॉस के लिए जाना जाता है, और यह प्रकाश के यात्रा करते समय उसकी गुणवत्ता बनाए रखने में मदद करता है।

इस कार्य का महत्व इसकी स्केलेबिलिटी और उन विशिष्ट समस्याओं में निहित है जिन्हें यह हल करता है। चिप पर लेजर को एकीकृत करने के पिछले प्रयास अक्सर जटिल बॉन्डिंग तकनीकों पर निर्भर थे जिससे गर्मी को निकालना या उच्च शक्ति प्राप्त करना कठिन हो जाता था, जिससे उनका उपयोग कम-शक्ति वाले अनुप्रयोगों तक सीमित हो जाता था। इसके विपरीत, यह माइक्रो-ट्रांसफर प्रिंटिंग दृष्टिकोण लेजर और चिप के बीच सीधा संपर्क प्रदान करता है, जिससे बेहतर ताप प्रबंधन और उच्च आउटपुट शक्ति सक्षम होती है। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि उनके उपकरण बिना उन थर्मल समस्याओं के संचालित हो सकते हैं जो आमतौर पर उच्च शक्ति स्तरों पर लेजर को विफल कर देती हैं। उन्होंने यह भी प्रदर्शित किया कि इन लेजरों का उत्पादन मानक विनिर्माण प्रक्रियाओं का उपयोग करके किया जा सकता है, जो यह सुझाव देता है कि इन घटकों को अंततः बड़े पैमाने पर उत्पादित किया जा सकता है। यह वर्तमान मैक्रोस्कोपिक बाहरी-कैविटी डायोड लेजरों को बदलने का द्वार खोलता है, जो बड़े और नाजुक हैं, एकीकृत प्रणालियों के साथ जो मजबूत और फील्ड पर तैनाती के लिए तैयार हैं।

पेपर स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज करता है कि पारंपरिक वेफर बॉन्डिंग विधियाँ इन विशिष्ट उच्च-शक्ति, लघु-तरंग दैर्ध्य अनुप्रयोगों के लिए सबसे अच्छा समाधान हैं। लेखक तर्क देते हैं कि जबकि बॉन्डिंग कुछ उपयोगों के लिए काम करती है, यह खराब ऊष्मा अपव्यय (heat dissipation) से ग्रस्त है और इसके लिए जटिल संरेखण की आवश्यकता होती है जो स्केल करना कठिन है। उनके परिणाम दिखाते हैं कि बट-कपल्ड (butt-coupled) प्रिंटिंग विधि इस विशिष्ट कार्य के लिए बेहतर है, जो उच्च शक्ति और बेहतर दक्षता प्रदान करती है। वे यह भी नोट करते हैं कि जबकि उनके वर्तमान उपकरण अत्यधिक प्रभावी हैं, सिलिकॉन नाइट्राइड सामग्री की गुणवत्ता में और सुधार उन्हें प्रदर्शन को और भी ऊपर ले जा सकता है, जो संभावित रूप से दशकों (tens of hertz) की लाइनविड्थ तक पहुँच सकता है। यह लेजरों को और भी अधिक सटीक मेट्रोलॉजी कार्यों के लिए उपयुक्त बना देगा। टीम ने केवल सिमुलेशन पर भरोसा करने के बजाय कठोर परीक्षण के माध्यम से अपने परिणामों को सीधे मापा, जिससे शक्ति, दक्षता और स्थिरता की पुष्टि हुई।

अंततः, यह शोध अगली पीढ़ी की क्वांटम प्रौद्योगिकियों के लिए आवश्यक ऑप्टिकल नियंत्रण प्रणालियों के निर्माण हेतु एक पूर्ण टूलकिट प्रदान करता है। यह सिद्ध करके कि वे एक ही चिप पर स्थिर, कम शोर वाले लेजर और व्यापक रूप से ट्यून करने योग्य लेजर दोनों बना सकते हैं, शोधकर्ताओं ने उस हार्डवेयर बाधा को संबोधित किया है जिसने क्वांटम प्रोसेसरों और परमाणु घड़ियों को पोर्टेबल बनने से रोका है। सिलिकॉन चिप पर उच्च शक्ति और कम शोर के साथ 795 नैनोमीटर पर प्रकाश उत्पन्न करने की क्षमता का अर्थ है कि आज के जटिल ऑप्टिकल सेटअप को एक ऐसे रूप में संक्षिप्त किया जा सकता है जो एक डेस्क या यहाँ तक कि एक वाहन में भी फिट हो सके। यह प्रगति क्वांटम कंप्यूटिंग और सटीक समयकीपिंग के वादे को वास्तविकता के करीब लाती है, इन तकनीकों को प्रयोगशाला के नियंत्रित वातावरण से व्यावहारिक दुनिया में ले जाती है जहाँ उनका उपयोग वास्तविक दुनिया की समस्याओं को हल करने के लिए किया जा सकता है।