Pulsed coherent and squeezed driving of a spin-$S$ emitter as a deterministic source of Wigner-negative light

क्वांटम तकनीक के क्षेत्र में, प्रकाश केवल एक ऐसी किरण नहीं है जो कमरे को रोशन करती है; यह एक सूक्ष्म उपकरण है जो सूचना को उन तरीकों से ले जाने में सक्षम है जिन्हें शास्त्रीय भौतिकी (classical physics) स्पष्ट नहीं कर सकती। कई उन्नत अनुप्रयोगों के लिए, जैसे कि क्वांटम कंप्यूटर बनाने या अति-सटीक माप करने के लिए, वैज्ञानिकों को ऐसे प्रकाश की आवश्यकता होती है जो विशिष्ट रूप से विचित्र व्यवहार प्रदर्शित करता हो। इस व्यवहार को अक्सर विग्नर वितरण (Wigner distribution) नामक एक गणितीय मानचित्र द्वारा वर्णित किया जाता है, जो प्रकाश की क्वांटम अवस्था के लिए एक स्थलाकृतिक चार्ट (topographical chart) की तरह कार्य करता है। इस मानचित्र पर, अधिकांश साधारण प्रकाश, जैसे कि लेजर पॉइंटर से निकलने वाला प्रकाश, एक चिकनी, धनात्मक पहाड़ी की तरह दिखता है। हालाँकि, प्रकाश की सबसे उपयोगी क्वांटम अवस्थाओं में इस मानचित्र पर "ऋणात्मक" घाटियाँ (negative valleys) होती हैं। ये ऋणात्मक क्षेत्र एक निश्चित संकेत हैं कि प्रकाश एक ऐसे तरीके से व्यवहार कर रहा है जो शास्त्रीय वस्तुओं के लिए असंभव है, जो इसे अगली पीढ़ी की तकनीक के लिए एक संसाधन के रूप में चिह्नित करता है। चुनौती हमेशा इन ऋणात्मक अवस्थाओं को विश्वसनीय रूप से बनाने की रही है। ऐतिहासिक रूप से, वैज्ञानिकों को भाग्य पर निर्भर रहना पड़ा है, प्रकाश उत्पन्न करना और फिर इस उम्मीद में रहना कि एक माप पुष्टि करेगा कि यह काम कर गया, जो एक धीमी और अक्षम प्रक्रिया है।

ऑकलैंड विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने संयोग पर इस निर्भरता को दूर करने का एक तरीका खोज लिया है। उन्होंने विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से प्रदर्शित किया है कि वे इन मूल्यवान ऋणात्मक प्रकाश अवस्थाओं को मांग पर (on demand), एक ऐसी विधि का उपयोग करके उत्पन्न कर सकते हैं जो नियत (deterministic) और अत्यधिक कुशल है। उनका दृष्टिकोण एक संक्षिप्त, नियंत्रित प्रकाश पल्स को एक सूक्ष्म उत्सर्जक (emitter) पर दागने में शामिल है, जो एक एकल परमाणु-समान प्रणाली है जो विभिन्न ऊर्जा अवस्थाओं में अस्तित्व में रह सकती है। पल्स के आकार और परस्पर क्रिया के समय को सावधानीपूर्वक बदलकर, वे उत्सर्जक से निकलने वाले प्रकाश को एक ऐसी अवस्था में बदलने के लिए मजबूर कर सकते हैं जिसमें विग्नर मानचित्र पर गहरे ऋणात्मक घाटियाँ हों। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह विधि उस स्तर का प्रकाश उत्पन्न करती है जिसमें निरंतर, स्थिर धाराओं की तुलना में बहुत अधिक क्वांटम विचित्रता होती है। उन्होंने दिखाया कि आने वाले पल्स की शक्ति और आकार को समायोजित करके, वे विशिष्ट, अत्यधिक जटिल क्वांटम अवस्थाएँ बना सकते हैं, जिनमें वे अवस्थाएँ भी शामिल हैं जो एक एकल फोटॉन के समान हैं जिसे स्थान में स्थानांतरित किया गया है, या यहाँ तक कि अधिक विलक्षण रूप जो दो अलग-अलग स्क्वीज्ड (squeezed) अवस्थाओं के सुपरपोजिशन की तरह दिखते हैं।

अध्ययन एक सरल दो-स्तरीय प्रणाली (two-level system) को देखकर शुरू होता है, जो एक बुनियादी स्विच की तरह कार्य करती है जो या तो चालू या बंद हो सकती है। जब इस प्रणाली को एक सुसंगत (coherent) प्रकाश पल्स से टकराया जाता है, तो शोधकर्ताओं ने देखा कि निकलने वाला प्रकाश मजबूत ऋणात्मक विशेषताओं को प्रदर्शित करने के लिए ट्यून किया जा सकता है। उन्होंने पाया कि ऋणात्मकता की मात्रा पल्स के मजबूत होने के साथ एक सरल, स्थिर वृद्धि नहीं है; इसके बजाय, यह एक जटिल पैटर्न में उतार-चढ़ाव करती है। पल्स की चौड़ाई और समय के आदर्श संयोजन को खोजने के लिए अनुकूलन तकनीकों (optimization techniques) का उपयोग करके, उन्होंने एक विशिष्ट सेटअप की पहचान की जो एक विस्थापित एकल-फोटॉन अवस्था (displaced single-photon state) के बहुत करीब की अवस्था उत्पन्न करता है। यह एक महत्वपूर्ण खोज है क्योंकि यह सुझाव देता है कि बिना अवांछित परिणामों को फ़िल्टर किए, क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए एक मौलिक निर्माण खंड बनाने का एक विश्वसनीय तरीका है। सिमुलेशन ने दिखाया कि इस इष्टतम अवस्था में एक ऋणात्मक आयतन (negative volume) है, जो "क्वांटमनेस" का एक माप है, जो पिछले प्रयोगों में स्थिर ड्राइविंग विधियों का उपयोग करके प्राप्त किए गए स्तर से पांच गुना से अधिक बड़ा है।

शोधकर्ताओं ने अपने अन्वेषण का विस्तार अधिक जटिल उत्सर्जकों तक किया, जो ऐसी प्रणालियाँ हैं जो केवल दो ऊर्जा स्तरों के बजाय कई सेटिंग्स वाले डायल की तरह अधिक स्तर रख सकती हैं। उन्होंने पाया कि प्रकाश के पल्स के साथ इन उच्च-स्पिन प्रणालियों को चलाने से और भी नाटकीय परिणाम प्राप्त हुए। जैसे-जैसे उन्होंने उत्सर्जक की जटिलता बढ़ाई, आउटपुट प्रकाश में ऋणात्मकता की मात्रा काफी बढ़ गई। तीन-एक-अर्ध (three-halves) स्पिन वाली प्रणाली के लिए, ऋणात्मक आयतन उन स्तरों तक पहुँच गया जो वर्तमान में ज्ञात किसी भी अन्य नियत (deterministic) विधि से कहीं अधिक है। इन नई अवस्थाओं के आकार कई फोटॉनों के पैटर्न के समान होने लगे, जिससे पता चलता है कि इस तकनीक का उपयोग विशिष्ट कण संख्याओं वाली अवस्थाओं को नियत रूप से उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है, जो एक ऐसी क्षमता है जिसे प्राप्त करना वर्तमान में बहुत कठिन है।

एक दूसरे जांच के क्रम में, टीम ने मानक सुसंगत प्रकाश पल्स के स्थान पर स्क्वीज्ड लाइट (squeezed light) पल्स का उपयोग किया। स्क्वीज्ड लाइट एक विशेष प्रकार का प्रकाश है जहाँ एक गुण में अनिश्चितता को दूसरे की कीमत पर कम किया जाता है, जिससे यह सटीकता के लिए एक शक्तिशाली उपकरण बन जाता है। जब उन्होंने साधारण दो-स्तरीय प्रणाली को इन स्क्वीज्ड पल्स के साथ संचालित किया, तो परिणामी प्रकाश अवस्थाएँ "श्रोडिंगर कैट" (Schrödinger cat) अवस्थाओं की तरह दिखीं, जो दो अलग-अलग क्वांटम वास्तविकताओं के सुपरपोजिशन हैं। ये अवस्थाएँ क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए उनके संभावित उपयोग हेतु अत्यधिक मूल्यवान हैं। सिमुलेशन ने फिर से दिखाया कि पल्स विधि ने स्थिर-अवस्था (steady-state) विधियों से बेहतर प्रदर्शन किया, जिससे बहुत गहरी ऋणात्मक घाटियों वाली अवस्थाएँ उत्पन्न हुईं। शोधकर्ता इस प्रभाव को अधिकतम करने के लिए स्क्वीजिंग और पल्स के समय को बारीकी से ट्यून करने में सक्षम थे, जिससे उन्हें वह सटीक बिंदु मिला जहाँ उत्पन्न अवस्था एक सैद्धांतिक स्क्वीज्ड कैट अवस्था के लगभग समान थी।

शायद सबसे आश्चर्यजनक खोज तब आई जब उन्होंने एक स्पिन-वन उत्सर्जक को लागू किया, जो तीन ऊर्जा स्तरों वाली प्रणाली है। यहाँ, भौतिकी ने एक अनूठा मोड़ लिया। स्क्वीज्ड लाइट और तीन-स्तरीय प्रणाली के बीच की परस्पर क्रिया के परिणामस्वरूप एक ऐसी अवस्था बनी जहाँ दो-फोटॉन घटक लगभग पूरी तरह से गायब था। आउटपुट लाइट में, ठीक दो फोटॉन पाए जाने की संभावना कम हो गई, जबकि फोटॉनों की अन्य संख्याएँ बनी रहीं। यह घटना, जिसे शोधकर्ता "दो-फोटॉन अपवर्जन" (two-photon exclusion) कहते हैं, एक क्वांटम मानचित्र में एक ग्रिड-नुमा पैटर्न बनाती है जो GKP अवस्था के रूप में ज्ञात एक विशिष्ट प्रकार के क्वांटम त्रुटि-सुधार कोड (error-correcting code) की याद दिलाता है। इन अवस्थाओं को मजबूत क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए 'होली ग्रिल' माना जाता है क्योंकि वे शोर से सूचना की रक्षा कर सकते हैं। सिमुलेशन ने दिखाया कि इस तरह से उत्पन्न प्रकाश इन आदर्श GKP अवस्थाओं के साथ उच्च स्तर की समानता साझा करता है, जो इन्हें नियत रूप से बनाने के लिए एक नया मार्ग प्रदान करता है।

अपने पूरे कार्य के दौरान, शोधकर्ताओं ने इस बात पर जोर दिया कि ये परिणाम एक कैस्केडेड सिस्टम (cascaded system) के कठोर संख्यात्मक सिमुलेशन से आते हैं, जहाँ प्रकाश एक स्रोत से, एक उत्सर्जक के माध्यम से, और एक कैप्चर कैविटी में प्रवाहित होता है। उन्होंने सावधानीपूर्वक मॉडल किया कि कैसे प्रकाश पल्स उत्सर्जक के साथ परस्पर क्रिया करते हैं और कैसे पल्स का समय अंतिम अवस्था को प्रभावित करता है। उन्होंने यह भी पता लगाया कि खामियां, जैसे कि गलत दिशा में प्रकाश का रिसाव होना या उत्सर्जक का प्रकाश के साथ थोड़ा आउट-ऑफ-ट्यून होना, परिणामों को कैसे प्रभावित करेगा। उनके विश्लेषण ने दिखाया कि जबकि ये खामियां ऋणात्मक अवस्थाओं की गुणवत्ता को कम करती हैं, मुख्य प्रभाव तब तक बना रहता है जब तक कि सिस्टम उचित रूप से ट्यून किया गया हो। अध्ययन इस निष्कर्ष के साथ समाप्त होता है कि निरंतर ड्राइविंग से पल्स ड्राइविंग की ओर बढ़ने पर, और विभिन्न ऊर्जा स्तरों वाले उत्सर्जकों का उपयोग करने पर, अत्यधिक गैर-शास्त्रीय (non-classical) प्रकाश अवस्थाओं की एक विस्तृत श्रृंखला उत्पन्न करना संभव है। यह कार्य ऋणात्मक विग्नर प्रकाश के एक नियत स्रोत के लिए एक सैद्धांतिक ब्लूप्रिंट प्रदान करता है, जो इस क्षेत्र को इन नाजुक और शक्तिशाली पदार्थों की अवस्थाओं पर आधारित व्यावहारिक क्वांटम प्रौद्योगिकियों के वास्तविक कार्यान्वयन के करीब लाता है।