Filter-Free Indistinguishable Photon Generation from Continuous-Wave-Driven Integrated Microresonators
यह शोध पत्र यह प्रदर्शित करता है कि स्पेक्ट्रल फ़िल्टरिंग पर निर्भर रहने के बजाय डिटेक्टर टाइम विंडोज़ को अनुकूलित करके, निरंतर-तरंग-चालित (continuous-wave-driven) उच्च-Q सिलिकॉन नाइट्राइड माइक्रोरेज़ोनेटर, फ़िल्टर-मुक्त, अत्यधिक अविभेदित (indistinguishable) फोटॉन युग्मों को निकट-एकता दृश्यता और दक्षता के साथ उत्पन्न कर सकते हैं, जो उन्हें क्वांटम नेटवर्क के लिए एक स्केलेबल प्लेटफॉर्म के रूप में स्थापित 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 इंटरनेट बनाने की खोज में, वैज्ञानिक प्रकाश के व्यक्तिगत कणों, जिन्हें फोटॉन कहा जाता है, का उपयोग करके सूचना भेजने का तरीका खोज रहे हैं। ये कण डेटा के वाहक के रूप में कार्य करते हैं जो उस पर्यावरणीय शोर के प्रति उल्लेखनीय रूप से प्रतिरोधी होते हैं जो आमतौर पर नाजुक क्वांटम अवस्थाओं को बाधित करता है। इस नेटवर्क के कार्य करने के लिए, सिस्टम के विभिन्न हिस्सों को एक-दूसरे से बात करने में सक्षम होना चाहिए, जिसके लिए अलग-अलग स्रोतों से फोटॉन भेजना आवश्यक है जो हर तरह से पूरी तरह से समान हों। यदि दो फोटॉन एक जंक्शन पर पहुँचते हैं और अविभेद्य (indistinguishable) होते हैं, तो वे एक विशिष्ट, अनुमानित तरीके से एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप करते हैं जो जटिल क्वांटम संचालन को संभव बनाता है। हालाँकि, इन पूर्ण जुड़वाओं को बनाना कठिन है। एक सामान्य विधि में लेजर प्रकाश की एक निरंतर धारा का उपयोग करके सिलिकॉन नाइट्राइड से बनी एक छोटी, वलय-आकार की संरचना को उत्तेजित करना शामिल है, जो फिर लेजर ऊर्जा को फोटॉन के जोड़ों में विभाजित करती है। हालाँकि यह दृष्टिकोण कुशल और कंप्यूटर चिप पर एकीकृत करना आसान है, एक लंबे समय से चली आ रही थ्योरी ने सुझाव दिया था कि इस तरह से उत्पादित फोटॉन हमेशा अपने साथी से जुड़े एक छिपे हुए "फिंगरप्रिंट" को वहन करेंगे, जिससे उन्हें डिटेक्टर पर पहुँचने पर एक-दूसरे से अलग करना असंभव हो जाएगा। यह उन्हें क्वांटम नेटवर्क के लिए आवश्यक सटीक हस्तक्षेप के लिए बेकार बना देगा।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब यह प्रदर्शित किया है कि यह सैद्धांतिक सीमा कोई कठोर दीवार नहीं है, बल्कि यह इस बात की गलतफहमी है कि डिटेक्शन प्रक्रिया कैसे काम करती है। फोटॉन को देखने के समय को सावधानीपूर्वक निर्धारित करके, उन्होंने उस छिपे हुए लिंक को मिटाने का एक तरीका खोजा जो फोटॉन को एक-दूसरे से अलग दिखाता है। वैज्ञानिकों ने दो इन सूक्ष्म रिंग रेज़ोनेटर (ring resonators) वाले एक माइक्रोचिप का निर्माण किया और उन्हें एक निरंतर लेजर से पंप किया। प्रकाश को अवांछित आवृत्तियों को हटाने के लिए फ़िल्टर करने के बजाय—एक ऐसी प्रक्रिया जिसमें अधिकांश फोटॉन बर्बाद हो जाते हैं—उन्होंने डिटेक्शन के समय पर ध्यान केंद्रित किया। उन्होंने पाया कि एक फोटॉन जोड़े के एक फोटॉन से संकेत स्वीकार करने के लिए जिस समय अंतराल (time window) का उपयोग किया जाता है, उसे संकुचित करके, वे प्रभावी रूप से दूसरे फोटॉन के सबसे उत्तम, अविभेद्य संस्करणों का चयन कर सकते थे। यह तकनीक, जो प्रकाश स्रोत के जटिल इंजीनियरिंग के बजाय फोटॉन के प्राकृतिक समय (timing) पर निर्भर करती है, उन्हें लगभग समान फोटॉन के जोड़े उत्पन्न करने की अनुमति देती है।
शोधकर्ताओं ने चिप पर एक बीम स्प्लिटर में इन दो स्वतंत्र स्रोतों से फोटॉन भेजकर इसका परीक्षण किया। जब दो समान फोटॉन ऐसे स्प्लिटर पर मिलते हैं, तो वे हमेशा एक ही पथ से एक साथ बाहर निकलते हैं, जो उनकी अविभेद्यता के एक निर्णायक परीक्षण के रूप में कार्य करता है। टीम ने मापा कि यह कितनी बार हुआ और पाया कि उनके फोटॉन 0.992 की दृश्यता (visibility) के साथ समान व्यवहार करते हैं, जिसका अर्थ है कि वे 99.2 प्रतिशत समय अविभेद्य थे। यह परिणाम बिना किसी बैकग्राउंड सबट्रैक्शन या प्रकाश स्रोत के जटिल समायोजन के प्राप्त किया गया था, जो यह सिद्ध करता है कि सही टेम्पोरल लेंस (temporal lens) के माध्यम से देखे जाने पर फोटॉन स्वाभाविक रूप से उच्च गुणवत्ता के थे। इसके अलावा, दो प्रकार के फोटॉनों के लिए डिटेक्शन विंडो को स्वतंत्र रूप से समायोजित करके, वे इस उच्च स्तर की समानता को बनाए रखते हुए सफल घटनाओं की एक महत्वपूर्ण संख्या प्राप्त करने में सफल रहे, जो एक विन्यास में प्रति सेकंड 4.5 सफल चार-फोटॉन घटनाएँ और दूसरे में 12.2 तक पहुँचीं।
यह कार्य इस पिछले अनुमान को चुनौती देता है कि निरंतर-तरंग (continuous-wave) लेजर अनिवार्य रूप से बहुत अधिक सहसंबंध (correlation) वाले फोटॉन उत्पन्न करते हैं जो उपयोगी न हों। अध्ययन से पता चलता है कि फोटॉन की शुद्धता केवल स्रोत द्वारा निर्धारित नहीं होती है, बल्कि इस बात से भी आकार लेती है कि डिटेक्टर कब और कैसे देखता है। एक उच्च गुणवत्ता वाले सिलिकॉन नाइट्राइड प्लेटफॉर्म का उपयोग करके, टीम ने एक ऐसा सिस्टम बनाया जो मजबूत और स्केलेबल है, जिससे महंगे, पल्स्ड लेजर या जटिल थर्मल ट्यूनिंग तंत्र की आवश्यकता से बचा जा सका जो अन्य डिजाइनों को जटिल बनाते हैं। ये निष्कर्ष बताते हैं कि निरंतर-तरंग संचालित माइक्रोरेज़ोनेटर भविष्य के बड़े पैमाने के क्वांटम नेटवर्क के निर्माण के लिए एक व्यवहार्य और व्यावहारिक आधार हैं, जो दक्षता से समझौता किए बिना क्वांटम टेलीपोर्टेशन और एंटैंगलमेंट स्वैपिंग के लिए आवश्यक अविभेद्य फोटॉन उत्पन्न करने का मार्ग प्रदान करते हैं।
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