Deterministic synthesis and processing of frequency-bin qubits in a macroscopically coherent quantum memory

क्वांटम सूचना की दुनिया में, प्रकाश पसंदीदा संदेशवाहक है। फोटॉन, जो प्रकाश के सूक्ष्म कण हैं, अपनी नाजुक क्वांटम अवस्था को खोए बिना विशाल दूरियों तक डेटा ले जा सकते हैं। हालाँकि, एक क्वांटम नेटवर्क को वास्तविक इंटरनेट की तरह कार्य करने के लिए, इन उड़ते हुए संदेशवाहकों को विश्राम करने के लिए एक स्थान की आवश्यकता होती है। उन्हें एक ऐसी स्मृति (मेमोरी) की आवश्यकता है जो एक फोटॉन को पकड़ सके, उसे सुरक्षित रख सके, और बिना जानकारी को गड़बबड़ाए उसे आदेश पर छोड़ सके। वर्षों से, वैज्ञानिकों ने इन "क्वांटम मेमोरीज" का निर्माण किया है, लेकिन वे मुख्य रूप से निष्क्रिय भंडारण लॉकर (पैसिव स्टोरेज लॉकर) के रूप में कार्य करते रहे हैं। वे एक संदेश को संग्रहीत कर सकते थे और उसे बाद में पुनः प्राप्त कर सकते थे, लेकिन वे भंडारण के भीतर संदेश को बदल नहीं सकते थे। इस सीमा का अर्थ था कि क्वांटम डेटा को संसाधित करने के लिए, शोधकर्ताओं को सूचना को भंडारण से बाहर निकालना पड़ता था, जटिल उपकरणों के साथ उसका हेरफेर करना पड़ता था, और फिर उसे वापस रखना पड़ता था, जो एक धीमी और त्रुटियों के प्रति संवेदनशील प्रक्रिया थी। चुनौती इस निष्क्रिय भंडारण को एक सक्रिय कार्यशाला (वर्कशॉप) में बदलने की थी जहाँ डेटा के प्रतीक्षा करते समय उसे आकार दिया और रूपांतरित किया जा सके।

रूस के कज़ान क्वांटम सेंटर के एक शोधकर्ता ने अब क्वांटम मेमोरी को प्रकाश के लिए एक सक्रिय प्रोसेसर में बदलने का एक तरीका प्रदर्शित किया है। उन्होंने "फ्रीक्वेंसी-बिन क्यूबिट्स" नामक एक विशिष्ट प्रकार की सूचना पर ध्यान केंद्रित किया, जहाँ डेटा फोटॉन के रंग, या आवृत्ति (फ्रीक्वेंसी) में एनकोड किया जाता है। इन रंगों को आकार देने के लिए जटिल लेजर पल्स का उपयोग करने के बजाय, शोधकर्ता ने सरल रेडियो-फ्रीक्वेंसी तरंगों का उपयोग करके मेमोरी को नियंत्रित करने की एक विधि विकसित की। प्रकाश के आने से पहले ही मेमोरी को एक विशेष, लंबे समय तक चलने वाली व्यवस्था (ऑर्डर) के साथ तैयार करके, उन्होंने एक ऐसा सिस्टम बनाया जो इन आवृत्ति-आधारित संदेशों को नियत रूप से (डिटरमिनिस्टिकली) संश्लेषित, संग्रहीत और संसाधित कर सकता है। परिणाम एक ऐसा उपकरण है जो न केवल प्रकाश को थामता है बल्कि उसे सक्रिय रूप से इंजीनियर भी करता है, जिससे एक भंडारण इकाई एक ऐसे प्लेटफॉर्म में बदल जाती है जहाँ मांग पर जटिल क्वांटम अवस्थाओं का निर्माण किया जा सके।

शोधकर्ता ने एक ऐसे क्रिस्टल के साथ काम किया जिसे दुर्लभ-तत्व आयनों (रेयर-अर्थ आयन्स) से डोप किया गया था, जो ऐसे परमाणु हैं जो आश्चर्यजनक रूप से लंबे समय तक क्वांटम सूचना को धारण करने में सक्षम हैं। इस क्रिस्टल के भीतर, उन्होंने एक ड्यूल-मोड ऑप्टिकल कैविटी स्थापित की, जो एक छोटा कक्ष है जो प्रकाश को फँसाता है और उसे परमाणुओं के साथ मजबूती से अंतःक्रिया करने के लिए मजबूर करता है। उनकी सफलता की कुंजी वह तकनीक थी जिसे वे "प्री-क्रिएटेड लॉन्ग-लिव्ड मैक्रोस्कोपिक कोहेरेंस" कहते हैं। सिस्टम में कोई भी सिग्नल भेजने से पहले, उन्होंने रेडियो-फ्रीक्वेंसी पल्स का उपयोग करके क्रिस्टल के भीतर परमाणुओं के स्पिन को एक विशिष्ट, सिंक्रोनाइज्ड पैटर्न में व्यवस्थित किया। इस पूर्व-व्यवस्थित अवस्था को एक पहले से ट्यून किए गए वाद्य यंत्र के रूप में सोचें जो किसी ध्वनि तरंग के टकराते ही एक विशिष्ट स्वर बजाने के लिए तैयार रहता है। यह पूर्व-मौजूद व्यवस्था एक सेतु का कार्य करती है, जिससे मेमोरी प्रकाश के विभिन्न रंगों के साथ एक साथ और समन्वित तरीके से अंतःक्रिया कर सकती है।

जब एक एकल फोटॉन इस तैयार मेमोरी में प्रवेश करता है, तो वह केवल संग्रहीत नहीं होता; वह रूपांतरित हो जाता है। परमाणु स्पिन को सेट करने के लिए उपयोग किए जाने वाले रेडियो-फ्रीक्वेंसी पल्स शोधकर्ता को यह नियंत्रित करने की अनुमति देते हैं कि फोटॉन को दो अलग-अलग रंगों, या फ्रीक्वेंसी बिन्स में कैसे विभाजित किया जाए। इन रेडियो पल्स की शक्ति और समय को समायोजित करके, वे आउटपुट में रंगों के सटीक मिश्रण को निर्धारित कर सकते हैं। यह पिछले तरीकों से एक महत्वपूर्ण विचलन है, जिन्हें समान परिणाम प्राप्त करने के लिए आने वाले प्रकाश संकेतों को जटिल रूप से आकार देना पड़ता था। यहाँ, प्रकाश एक सरल सिग्नल के रूप में प्रवेश करता है, और मेमोरी स्वयं, रेडियो तरंगों द्वारा निर्देशित होकर, यह तय करती है कि सूचना को कैसे विभाजित और संग्रहीत किया जाए। सिस्टम सुनिश्चित करता है कि दो परिणामी रंग एक एकल, सुसंगत (कोहेरेंट) क्वांटम अवस्था के रूप में एक साथ उभरें, प्रभावी रूप से शून्य से एक नए प्रकार के प्रकाश कण का निर्माण करते हैं।

अध्ययन से पता चलता है कि यह प्रक्रिया केवल एकतरफा रास्ता नहीं है। वही तंत्र जो इन जटिल अवस्थाओं का निर्माण करता है, उन्हें उच्च दक्षता के साथ संग्रहीत और पुनः प्राप्त करने की अनुमति भी देता है। शोधकर्ता ने पाया कि सिस्टम एक सिद्धांत के तहत कार्य करता है जिसे वे "स्पेक्ट्रली नॉनलोकल इम्पीडेंस मैचिंग" कहते हैं। सरल शब्दों में, मेमोरी प्रकाश के विभिन्न रंगों को अलग-अलग संस्थाओं के रूप में नहीं देखती है जिन्हें व्यक्तिगत रूप से मिलाया जाना चाहिए, बल्कि एक एकल, एकीकृत संपूर्ण के रूप में देखती है। पूर्व-निर्मित परमाणु कोहेरेंस इन रंगों को एक साथ जोड़ता है, जिससे मेमोरी प्रकाश को पूरी तरह से अवशोषित करती है और बिना किसी हानि के इसे मुक्त करती है। यह एकीकृत नियंत्रण अर्थ देता है कि उपकरण एक प्रोग्रामेबल प्रोसेसर के रूप में कार्य कर सकता है, जो रेडियो-फ्रीक्वेंसी सेटिंग्स को बदलकर किसी भी वांछित फ्रीक्वेंसी-बिन अवस्थाओं का संयोजन उत्पन्न करने में सक्षम है।

इस कार्य के निहितार्थ केवल प्रकाश को संग्रहीत करने तक ही सीमित नहीं हैं। शोधकर्ता ने प्रदर्शित किया कि उनके सिस्टम के अंतर्निहित भौतिक विज्ञान में "टाइम-रिवर्सल सिमेट्री" (समय-प्रतिवर्ती समरूपता) है, जिसका अर्थ है कि प्रकाश को संग्रहीत करने और पुनः प्राप्त करने की प्रक्रिया पूरी तरह से प्रतिवर्ती है। यह गणितीय गुण सुनिश्चित करता है कि क्वांटम सूचना अत्यधिक शुद्धता (फिडेलिटी) के साथ संरक्षित रहे, जो किसी भी भविष्य के क्वांटम नेटवर्क के लिए एक आवश्यक आवश्यकता है। इसके अलावा, शोधकर्ता ने दिखाया कि यह दृष्टिकोण मौजूदा तकनीक के साथ संगत है। उनके द्वारा उपयोग किए गए क्रिस्टल और कैविटीज टेलीकम्युनिकेशंस के लिए पहले से ही विकसित किए जा रहे उपकरणों के समान हैं, और रेडियो-फ्रीक्वेंसी नियंत्रण भौतिकी प्रयोगशालाओं में एक मानक उपकरण है। उन्होंने उल्लेख किया कि समान सेटअपों ने पहले ही अस्सी प्रतिशत से अधिक भंडारण दक्षता हासिल की है, जो यह सुझाव देता है कि प्रकाश को संसाधित करने की यह नई विधि केवल एक सैद्धांतिक विचार नहीं है, बल्कि एक व्यावहारिक मार्ग है।

क्वांटम मेमोरी को एक सक्रिय प्रोसेसर में बदलकर, यह शोध अधिक परिष्कृत क्वांटम नेटवर्क के द्वार खोलता है। डेटा का हेरफेर करने के लिए बाहरी कंप्यूटरों पर निर्भर रहने के बजाय, नेटवर्क नोड्स स्वयं गणना कर सकते हैं और प्रकाश की जटिल अवस्थाओं को उत्पन्न कर सकते हैं। यह क्षमता क्वांटम सिस्टम को स्केल करने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह भारी और त्रुटिपूर्ण उपकरणों की आवश्यकता को कम करती है। फ्रीक्वेंसी-बिन क्यूबिट्स को नियत रूप से बनाने और हेरफेर करने की क्षमता अगली पीढ़ी के क्वांटम संचार और कंप्यूटिंग के लिए एक मजबूत आधार प्रदान करती है। यह कार्य सुझाव देता है कि भविष्य की क्वांटम सूचना केवल बड़े, अधिक जटिल प्रोसेसर बनाने में नहीं, बल्कि मेमोरी को स्वयं काम करने के लिए पर्याप्त स्मार्ट बनाने में निहित है।