Travelling Dark State Polariton as a Viable Quantum Memory in a Solid-State Medium
यह शोध पत्र प्रसार से होने वाले पल्स ब्रॉडनिंग (pulse broadening) को समाप्त करके स्टोरेज समय को बढ़ाने के लिए Pr³⁺:Y₂SiO₅ क्रिस्टल में डार्क-स्टेट पोलरिटन्स (dark-state polaritons) का उपयोग करते हुए एक सॉलिड-स्टेट क्वांटम मेमोरी का सैद्धांतिक प्रस्ताव रखता है, और विशिष्ट हाइपरफाइन स्तरों (hyperfine levels) में इस स्टोरेज को साकार करने के लिए एक क्रायोजेनिक प्रायोगिक सेटअप की रूपरेखा प्रस्तुत करता है।
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आज के सुपरकंप्यूटरों की पहुंच से कहीं आगे जाकर समस्याओं को हल करने वाली मशीन बनाने की खोज में, वैज्ञानिक क्वांटम यांत्रिकी के विचित्र नियमों की ओर मुड़ रहे हैं। ये मशीनें, जिन्हें क्वांटम कंप्यूटर के रूप में जाना जाता है, नाजुक क्वांटम अवस्थाओं को थामे रखने की क्षमता पर निर्भर करती हैं—सूचना की ऐसी नाजुक व्यवस्थाएं जो एक साथ कई संभावनाओं में मौजूद हो सकती हैं। ऐसा कंप्यूटर बनाने में सबसे बड़ी बाधा केवल इन अवस्थाओं को बनाना नहीं है, बल्कि उन्हें उपयोग करने के लिए पर्याप्त समय तक जीवित रखना है। क्वांटम सूचना अविश्वसनीय रूप से चंचल होती है; जिस क्षण यह अपने आस-पास के शोर भरे वातावरण के साथ संपर्क करती है, सूचना घुल जाती है, जिसे डिकोहेरेंस (decoherence) कहा जाता है। इससे निपटने के लिए, शोधकर्ताओं ने प्रकाश, विशेष रूप से फोटॉन की ओर देखा है, क्योंकि वे स्वाभाविक रूप से वातावरण से अलग होते हैं और उन्हें नियंत्रित करना आसान होता है। हालांकि, प्रकाश को आसानी से संग्रहीत करने के लिए बहुत तेज़ी से चलता है। समाधान प्रकाश को धीमा करने और इसे एक सामग्री के भीतर फंसाने में निहित है, उड़ते हुए फोटॉन को परमाणु ऊर्जा की एक स्थिर लहर में बदलने में, और फिर बाद में इसके क्वांटम रहस्यों को खोए बिना इसे पुनः प्राप्त करने में।
इस चुनौती ने इलेक्ट्रोमैग्नेटिकली इंड्यूस्ड ट्रांसपेरेंसी (electromagnetically induced transparency) नामक एक विशिष्ट तकनीक को जन्म दिया है। क्रिस्टल के एक ठोस ब्लॉक की कल्पना करें जो सामान्यतः प्रकाश के एक निश्चित रंग के लिए अपारदर्शी होता है, जो उसे पूरी तरह से रोकता है। क्रिस्टल के माध्यम से एक दूसरा, शक्तिशाली लेजर बीम प्रवाहित करके, वैज्ञानिक सामग्री को एक क्षण के लिए पारदर्शी होने के लिए भ्रमित कर सकते हैं, जिससे प्रकाश का एक कमजोर स्पंद (pulse) गुजर सके। यदि इन लेजरों का समय और शक्ति बिल्कुल सही हो, तो कमजोर स्पंद को लगभग स्थिर अवस्था तक धीमा किया जा सकता है और इसकी सूचना को क्रिस्टल के परमाणुओं में स्थानांतरित किया जा सकता है, जो प्रभावी रूप से प्रकाश को संग्रहीत करता है। यह संग्रहीत अवस्था प्रकाश और पदार्थ का एक संकर (hybrid) है, एक क्वासी-पार्टिकल जिसे 'डार्क-स्टेट पोलरिटोन' (dark-state polariton) कहा जाता है। लक्ष्य इस संग्रहीत सूचना को प्रकाश के स्पंद के रूप में वापस पढ़ने से पहले इसे यथासंभव लंबे समय तक सुरक्षित रखना है।
अविरुप चक्रवर्ती और श्राबना चक्रवर्ती के एक नए सैद्धांतिक अध्ययन ने इस भंडारण पद्धति में, विशेष रूप से क्रिस्टल जैसी ठोस सामग्रियों के लिए, एक महत्वपूर्ण सुधार का प्रस्ताव दिया है। जबकि पिछले प्रयोगों ने ठंडे परमाणुओं की गैसों में प्रकाश के स्पंदों को सफलतापूर्वक संग्रहीत किया है, ठोस क्रिस्टल में उन्हें संग्रहीत करना एक अनूठी समस्या प्रस्तुत करता है: ठोस में परमाणु पूरी तरह से स्थिर नहीं होते हैं। अत्यंत कम तापमान पर भी, वे कंपन करते हैं और थोड़ा विस्थापित होते हैं, जिसे डिफ्यूजन (diffusion) या प्रसार कहा जाता है। यह विस्थापन संग्रहीत प्रकाश स्पंद को फैला देता है और धुंधला कर देता है, ठीक वैसे ही जैसे पानी में स्याही की एक बूंद फैल जाती है, जो इसके द्वारा ले जा रही सटीक सूचना को नष्ट कर देती है। शोधकर्ताओं ने सिद्धांत दिया कि नियंत्रण लेजर को लागू करने के तरीके को बदलकर, वे इस धुंधलेपन के प्रभाव को पूरी तरह से रोक सकते हैं। एक एकल लेजर बीम का उपयोग करने के बजाय जो पारदर्शिता की खिड़की बनाने के लिए एक दिशा में यात्रा करती है, उन्होंने दो शक्तिशाली नियंत्रण लेasers का उपयोग करने का प्रस्ताव दिया जो क्रिस्टल के माध्यम से विपरीत दिशाओं में चलते हैं। ये विपरीत बीम एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप करती हैं ताकि एक स्टैंडिंग वेव पैटर्न (standing wave pattern) बनाया जा सके, जो प्रकाश तीव्रता का एक स्थिर ग्रिड है जो एक स्थान पर स्थिर रहता है।।
अध्ययन सुझाव देता है कि यह स्टैंडिंग वेव पैटर्न यात्रा करने वाले प्रकाश स्पंद के लिए एक सुरक्षात्मक पिंजरे के रूप में कार्य करता है। अपने गणितीय मॉडल में, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि इस काउंटर-प्रोपैगेटिंग लेजर सेटअप की विशिष्ट ज्यामिति उस डिफ्यूजन को रद्द कर देती है जो आमतौर पर स्पंद के विस्तार का कारण बनता है। जब दोनों नियंत्रण लेसर समान शक्ति के होते हैं, जो एक पूर्ण स्टैंडिंग वेव बनाते हैं, तो सिद्धांत भविष्यवाणी करता है कि स्पंद का विस्तार पूरी तरह से समाप्त हो जाता है। इसका अर्थ है कि क्वांटम सूचना बहुत लंबे समय तक तीक्ष्ण और केंद्रित रहती है, जो केवल शामिल परमाणु ऊर्जा स्तरों के प्राकृतिक जीवनकाल द्वारा सीमित है, न कि परमाणुओं की भौतिक गति द्वारा। शोधकर्ताओं ने गणना की कि यह विधि एकल यात्रा करने वाले लेजर बीम का उपयोग करने की तुलना में प्रकाश स्पंद के भंडारण समय को काफी बढ़ा सकती है।
इस अवधारणा को वास्तविक दुनिया में काम करने योग्य साबित करने के लिए, लेखकों ने प्रैसेओडिमियम आयनों (praseodymium ions) से युक्त यट्रियम ऑर्थोसिलिकेट के क्रिस्टल का उपयोग करके एक विशिष्ट प्रयोग की रूपरेखा तैयार की, जिसे 4.5 केल्विन के अत्यंत ठंडे तापमान तक ठंडा किया गया है। यह सामग्री अपनी लंबी अवधि के परमाणु ऊर्जा स्तरों के लिए जानी जाती है, जो इसे मेमोरी स्टोरेज के लिए एक प्रमुख उम्मीदवार बनाती है। प्रस्तावित सेटअप में क्रिस्टल में एक कमजोर प्रोब स्पंद को दागने के साथ-साथ विपरीत सिरों से दो मजबूत नियंत्रण लेसर को स्टैंडिंग वेव बनाने के लिए चलाना शामिल है। टीम भविष्यवाणी करती है कि इन परिस्थितियों में, प्रोब स्पंद को न्यूनतम विरूपण के साथ क्रिस्टल के भीतर पकड़ा और रखा जाएगा। उनके सिमुलेशन संकेत देते हैं कि जबकि एक मानक सेटअप में संग्रहीत ऊर्जा थोड़े समय में नगण्य स्तर तक गिर सकती है, स्टैंडिंग वेव कॉन्फ़िगरेशन ऊर्जा घनत्व को बहुत लंबे समय तक उच्च रख सकता है, जिससे उनके मॉडल में भंडारण विंडो लगभग 3.6 समय इकाइयों से बढ़कर 5.7 समय इकाइयां हो जाती है।
इस कार्य के निहितार्थ केवल प्रकाश के स्पंद को थोड़ा अधिक समय तक रोकने तक ही सीमित नहीं हैं। यदि एक क्वांटम कंप्यूटर को एक उपयोगी उपकरण के रूप में कार्य करना है, तो इसे सूचना को संग्रहीत और पुनः प्राप्त करने का एक विश्वसनीय तरीका चाहिए, ठीक वैसे ही जैसे एक क्लासिकल कंप्यूटर में रैंडम एक्सेस मेमोरी होती है। ठोस क्रिस्टल में क्वांटम अवस्थाओं को लंबे समय तक बिना उनके क्षरण के संग्रहीत करने की क्षमता एक मजबूत और स्केलेबल क्वांटम मेमोरी बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है। यह प्रदर्शित करके कि ठोस में परमाणुओं के डिफ्यूजन को लेजर पैटर्न के चतुर उपयोग के माध्यम से निष्प्रभावी किया जा सकता है, यह शोध भविष्य की क्वांटम प्रौद्योगिकियों के लिए आवश्यक मेमोरी सेल बनाने के लिए एक व्यवहार्य मार्ग प्रदान करता है। अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि इसने हर समस्या को हल कर दिया है, यह नोट करते हुए कि परमाणु अवस्थाओं का प्राकृतिक क्षय एक मौलिक सीमा बनी हुई है, लेकिन यह ठोस-अवस्था प्रणालियों में क्वांटम सूचना के साथ काम करने के लिए उपलब्ध समय को अधिकतम करने के लिए एक स्पष्ट सैद्धांतिक रोडमैप प्रदान करता है।
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