Time domain non-linear quantum interferometry

कल्पना कीजिए कि आप एक ऐसे कमरे में एक अकेली फुसफुसाहट को सुनने की कोशिश कर रहे हैं जो जेट इंजन के गर्जना भरे शोर से भरा हुआ है। भौतिक विज्ञान की दुनिया में, यह ब्रह्मांड से आने वाले सबसे सूक्ष्म संकेतों का पता लगाने की दैनिक चुनौती है, जैसे कि वे मायावी कण जो डार्क मैटर (dark matter) बना सकते हैं या उच्च-आवृत्ति वाली गुरुत्वाकर्षण तरंगों (gravitational waves) की लहरें। दशकों से, वैज्ञानिक इंटरफेरोमेट्री (interferometry) नामक एक तकनीक पर निर्भर रहे हैं, जो एक तरंग को दो पथों में विभाजित करती है और फिर उन्हें पुन: संयोजित करके सूक्ष्म अंतरों को प्रकट करती है। हालाँकि, सबसे उत्तम उपकरण भी एक मौलिक बाधा का सामना करते हैं जिसे 'शॉट नॉइज़ लिमिट' (shot noise limit) कहा जाता है। यह मशीन की कोई खामी नहीं है, बल्कि प्रकाश की स्वयं की क्वांटम प्रकृति का परिणाम है; क्योंकि प्रकाश फोटॉन नामक अलग-अलग पैकेटों से बना होता है, इसलिए बीम की तीव्रता में एक अनिवार्य, यादृच्छिक अस्थिरता (jitter) होती है जो एक निश्चित सीमा से कमजोर संकेतों को दबा देती है। ब्रह्मांड के सबसे शांत रहस्यों को देखने के लिए, शोधकर्ताओं को इस क्वांटम शोर के पार सुनने का तरीका खोजना होगा।

फ्रांस के भौतिकविदों की एक टीम ने अब ठीक यही काम करने के लिए एक उपकरण बनाया है, जो एक नए प्रकार का क्वांटम इंटरफेरोमीटर तैयार करता है जो मानक शोर सीमा से बहुत नीचे के संकेतों का पता लगा सकता है। उनका कार्य, जो हाल ही में प्रकाशित एक अध्ययन में प्रस्तुत किया गया है, एक ऐसा तरीका प्रदर्शित करता है जिससे औसतन एक से भी कम फोटॉन वाले माइक्रोवेव संकेतों को महसूस किया जा सकता है, जो कि एक ऐसी उपलब्धि है जिसे पहले बहुत अधिक जटिल और नाजुक उपकरणों की आवश्यकता वाला माना जाता था। ग्रेनुलर एल्युमीनियम (granular aluminum) से बने एक विशेष सर्किट और एक माइक्रोवेव कैविटी का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा सिस्टम बनाया है जो कमजोर संकेतों को एक गैर-रेखीय (non-linear) प्रक्रिया के माध्यम से प्रवर्धित करता है, जो प्रभावी रूप से एक फुसफुसाहट को चिल्लाहट में बदल देता है बिना सामान्य बैकग्राउंड शोर को बढ़ाए। यह सफलता डार्क मैटर की खोज और उन ब्रह्मांडीय घटनाओं को देखने के लिए एक आशाजनक नया मार्ग प्रदान करती है जो अब तक छिपी हुई रही हैं।

इस प्रयोग का मूल एक सेटअप है जो एक परिष्कृत रेडियो रिसीवर जैसा दिखता है लेकिन क्वांटम स्तर पर कार्य करता है। शोधकर्ताओं ने एक त्रि-आयामी (three-dimensional) माइक्रोवेव कैविटी का उपयोग किया, जो एक खोखला धातु का बॉक्स है जो विद्युत चुम्बकीय तरंगों को कैद करता है, और इसके भीतर ग्रेनुलर एल्युमीनियम से बना एक छोटा सर्किट रखा। यह सामग्री अद्वितीय है क्योंकि यह चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति लचीली है और इसमें 'एनहार्मोनिसिटी' (anharmonicity) नामक एक गुण है, जिसका अर्थ है कि ऊर्जा के प्रति इसकी प्रतिक्रिया एक सरल, सीधी रेखा नहीं है बल्कि यह इस तरह से मुड़ती है जो जटिल अंतःक्रियाओं की अनुमति देती है। टीम ने कैविटी को एक मजबूत माइक्रोवेव सिग्नल के साथ फीड किया, जो एक संदर्भ बीम (reference beam) के रूप में कार्य करता है, और फिर एक दूसरा, अत्यंत कमजोर सिग्नल पेश किया जिसे वे पहचानना चाहते थे। एक पारंपरिक सेटअप में, यह कमजोर सिग्नल मजबूत बीम के शोर में खो जाएगा, लेकिन यहाँ, ग्रेनुलर एल्युमीनियम सर्किट एक गैर-रेखीय लेंस की तरह कार्य करता है।

यह जादू 'रैमसे इंटरफेरोमेट्री' (Ramsey interferometry) नामक एक प्रक्रिया के माध्यम से होता है, जो आमतौर पर अत्यधिक सटीकता के साथ समय या आवृत्ति को मापने के लिए उपयोग किया जाता है। शोधकर्ताओं ने एल्युमीनियम सर्किट को सुपरपोजिशन (superposition) की एक नाजुक अवस्था में तैयार किया, जहाँ यह एक ही समय में दो अवस्थाओं में मौजूद होता है, और फिर इसे स्वतंत्र रूप से विकसित होने दिया। इस दौरान, मजबूत संदर्भ सिग्नल और कमजोर परीक्षण सिग्नल ने सर्किट के साथ अंतःक्रिया की। सर्किट की गैर-रेखीय प्रकृति के कारण, कमजोर सिग्नल से आने वाले भले ही बहुत कम फोटॉन ने भी सर्किट की अवस्था के 'फेज' (phase) में एक मापने योग्य बदलाव पैदा किया। यह ऐसा है जैसे कमजोर सिग्नल ने सर्किट को उसकी आंतरिक लय के समय को बदलने के लिए बस इतना धक्का दिया, एक ऐसा परिवर्तन जिसे कैविटी से परावर्तित होने वाले माइक्रोवेव सिग्नल को मापकर पढ़ा जा सकता था।

परिणाम चौंकाने वाले थे। टीम ने प्रदर्शित किया कि उनका उपकरण केवल 400 माइक्रोसेकंड में 0.01 फोटॉन वाले सिग्नल का पता लगा सकता है, और यदि वे माप को 400 मिलीसेकंड तक चलने दें, तो 0.00001 फोटॉन जैसे और भी छोटे सिग्नल का भी पता लगा सकता है। इसे समझने के लिए, एक मानक डिटेक्टर को ऐसे सूक्ष्म संकेतों को देखने के लिए बहुत अधिक प्रतीक्षा करनी होगी या बहुत अधिक शक्तिशाली एम्पलीफायरों का उपयोग करना होगा, जो अक्सर प्रक्रिया में अधिक शोर भी पैदा करते हैं। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि उनका तरीका केवल शक्ति (power) को मापने के बजाय आउटपुट सिग्नल के फेज को मापकर काम करता है, जिससे वे शॉट नॉइज़ की सीमाओं को पार करने में सक्षम होते हैं। उन्होंने पुष्टि की कि उपकरण आउटपुट के फेज को देखकर कमजोर सिग्नल को बैकग्राउंड शोर से अलग कर सकता है, जो तब होता है जब वे कमजोर सिग्नल के समय को समायोजित करते हैं।

इस कार्य का एक सबसे महत्वपूर्ण पहलू इसकी मजबूती (robustness) है। कई क्वांटम सेंसर अविश्वसनीय रूप से नाजुक होते हैं और यदि उन्हें चुंबकीय क्षेत्रों के संपर्क में लाया जाए तो विफल हो जाते हैं, जो कि डार्क मैटर की खोज के लिए आवश्यक प्रयोगों में अक्सर आवश्यक होते हैं। हालाँकि, चूंकि ग्रेनुलर एल्युमीनियम सर्किट स्वाभाविक रूप से चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति लचीला है, शोधकर्ता 100 मिलीटेस्ला जितने मजबूत चुंबकीय क्षेत्र के तहत भी अपनी संवेदनशीलता खोए बिना अपने इंटरफेरोमीटर को संचालित करने में सक्षम रहे। यह सुझाव देता है कि इस उपकरण को बड़े प्रयोगों के साथ एकीकृत किया जा सकता है जिनमें मजबूत चुंबकों की आवश्यकता होती है, जैसे कि वे जो काल्पनिक डार्क मैटर कणों को पता लगाने योग्य फोटॉन में बदलने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। टीम ने यह भी नोट किया कि यह उपकरण संभावित रूप से आवृत्तियों की एक बहुत विस्तृत श्रृंखला को स्कैन कर सकता है, जो इसे विभिन्न प्रकार के ब्रह्मांडीय संकेतों की खोज के लिए एक बहुमुखी उपकरण बनाता है।

इस खोज के निहितार्थ केवल कमजोर संकेतों को मापने से कहीं अधिक हैं। इतने सूक्ष्म माइक्रोवेव क्षेत्रों का पता लगाने की क्षमता एक्सियॉन (axions) या डार्क फोटॉन जैसे डार्क मैटर उम्मीदवारों की खोज के द्वार खोलती है, जिनसे माइक्रोवेव रेंज में संकेत उत्पन्न होने की उम्मीद है। यदि ये कण मौजूद हैं, तो वे साधारण पदार्थ के साथ बहुत कमजोर रूप से अंतःक्रिया करेंगे, जिससे उन्हें वर्तमान तकनीक के साथ पकड़ना लगभग असंभव हो जाता है। शॉट नॉइज़ सीमा से बचकर, यह नया इंटरफेरोमीटर इन कणों की खोज के लिए एक ऐसा रास्ता प्रदान करता है जिसकी संवेदनशीलता अब तक पहुंच से बाहर थी। शोधकर्ताओं ने यह भी रेखांकित किया कि उनके तरीके को उच्च-आवृत्ति वाले गुरुत्वाकर्षण तरंगों या खगोलीय मेसर्स (astronomical masers) का पता लगाने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है, जो अंतरिक्ष में माइक्रोवेव विकिरण के प्राकृतिक स्रोत हैं।

हालाँकि यह उपकरण अभी तक अंतरिक्ष दूरबीन में तैनाती के लिए तैयार कोई पूर्ण उत्पाद नहीं है, फिर भी यह क्वांटम सेंसिंग के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण कदम का प्रतिनिधित्व करता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि एक सरल सुपरकंडक्टिंग सर्किट के गैर-रेखीय गुणों का उपयोग करके, एक ऐसा इंटरफेरोमीटर बनाया जा सकता है जो संवेदनशील और मजबूत दोनों है। उन्होंने यह दावा नहीं किया कि उन्होंने डार्क मैटर की पहेली को सुलझा लिया है, लेकिन उन्होंने एक नया, शक्तिशाली उपकरण प्रदान किया है जो इस प्रश्न का उत्तर देने में मदद कर सकता है। यह कार्य इस विचार का प्रमाण है कि सामग्रियों के मौलिक क्वांटम गुणों को समझकर और उनका हेरफेर करके, वैज्ञानिक ऐसे उपकरण बना सकते हैं जो पहले से कहीं अधिक दूर देख सकते हैं और अधिक शांति से सुन सकते हैं। जैसे-जैसे क्वांटम सेंसिंग का क्षेत्र विकसित होता रहेगा, शोर की सीमाओं को पार करने के लिए गैर-रेखीय सर्किट का उपयोग करने का यह दृष्टिकोण ब्रह्मांड के गहरे रहस्यों की खोज के लिए एक मानक तकनीक बन सकता है।