Resonant multi-harmonic acousto-optics for programmable frequency control of visible light in a CMOS platform

क्वांटम कंप्यूटिंग की दुनिया में, सबसे उन्नत मशीनें अक्सर सूचना संग्रहीत करने के लिए परमाणुओं या आयनों जैसे सूक्ष्म कणों पर निर्भर करती हैं। इन कणों को नियंत्रित करने के लिए, वैज्ञानिक दृश्य (विज़िबल) लेजर प्रकाश की किरणों का उपयोग करते हैं, जो कूलिंग, ट्रैपिंग और क्वांटम बिट्स की स्थिति को पढ़ने के लिए एक इंटरफेस के रूप में कार्य करती हैं। हालाँकि, जैसे-जैसे ये सिस्टम कुछ दर्जन कणों से बढ़कर संभावित रूप से लाखों कणों तक बढ़ते हैं, हमारे नियंत्रण करने के तरीके को बदलना होगा। वर्तमान विधियों के लिए प्रकाश की आवृत्ति (फ्रीक्वेंसी) को आकार देने के लिए जटिल, भारी उपकरणों की आवश्यकता होती है, और यह दृष्टिकोण अच्छी तरह से स्केल नहीं कर पाता है। आदर्श समाधान एक छोटा चिप है जो उच्च-शक्ति वाले लेजर प्रकाश को अविश्वसनीय गति से नियंत्रित कर सके, और इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग के सख्त विनिर्माण मानकों में फिट हो सके। चुनौती एक ऐसा पदार्थ खोजने की थी जो दृश्य प्रकाश की तीव्र शक्ति को संभाल सके और साथ ही प्रकाश की आवृत्ति को तेजी से बदलने में सक्षम हो, एक ऐसा कार्य जिसे मानक सिलिकॉन-आधारित चिप्स करने में संघर्ष करते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक ऐसा उपकरण बनाया है जो ध्वनि तरंगों की शक्ति को एक ही चिप पर प्रकाश के साथ जोड़कर इस समस्या को हल करता है। उन्होंने सिलिकॉन नाइट्राइड से बनी एक सूक्ष्म संरचना बनाई, जो टूटने के बिना उच्च-शक्ति वाले लेजर को संभालने की अपनी क्षमता के लिए जानी जाती है। इस सामग्री को विद्युत संकेतों के प्रति संवेदनशील बनाने के लिए, उन्होंने इसे एल्युमीनियम नाइट्राइड के साथ परतदार बनाया, जो एक स्पीकर कोन की तरह कार्य करता है और बिजली लागू होने पर कंपन करता है। जब ये कंपन सिलिकॉन नाइट्राइड के माध्यम से यात्रा करते हैं, तो वे दबाव का एक गतिशील पैटर्न बनाते हैं जो गुजरने वाले लेजर प्रकाश की आवृत्ति को बदल देता है। यह प्रक्रिया, जिसे एकोस्टो-ऑप्टिक मॉड्यूलेशन (acousto-optic modulation) कहा जाता है, शोधकर्ताओं को प्रकाश को विशिष्ट जानकारी ले जाने के लिए प्रोग्राम करने की अनुमति देती है। मुख्य नवाचार यह है कि उन्होंने चिप को केवल एक के बजाय दो अलग-अलग, संबंधित गतियों पर एक साथ कंपन करने के लिए इंजीनियर किया है। यह उन्हें प्रकाश को उन जटिल पैटर्न में आकार देने की अनुमति देता है जिन्हें पहले एक एकल चिप पर बनाना असंभव था।

शोधकर्ताओं ने एक सूक्ष्म बीम डिजाइन की, जो केवल 1.4 माइक्रोमीटर चौड़ी है, जो ध्वनि तरंगों के लिए एक रेसोनेटर (resonator) के रूप में कार्य करती है। बीम की चौड़ाई और इसके भीतर प्रकाश के मार्ग के कोर को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, उन्होंने संरचना को दो विशिष्ट आवृत्तियों: 1.14 गीगाहर्ट्ज़ और 2.28 गीगाहर्ट्ज़ पर कंपन करने के लिए ट्यून किया। ये दो आवृत्तियाँ हार्मोनिक रूप से पूरी तरह से व्यवस्थित हैं, जिसका अर्थ है कि दूसरी पहली से ठीक दोगुनी है। जब शोधकर्ताओं ने इन कंपनों को संचालित करने के लिए विद्युत संकेत लागू किए, तो दोनों ध्वनि तरंगों ने लेजर प्रकाश को मॉड्यूलेट करने के लिए मिलकर काम किया। प्रकाश की आवृत्ति में एक साधारण, सिंगल-टोन बदलाव पैदा करने के बजाय, दो कंपनों के संयोजन ने उन्हें एक कस्टम वेवफॉर्म (waveform) को सिंथेसाइज करने की अनुमति दी। इस क्षमता ने एक लंबे समय से चली आ रही भौतिक सीमा को तोड़ दिया। पिछले सिंगल-टोन सिस्टम में, नई आवृत्ति पर स्थानांतरित होने वाली प्रकाश की अधिकतम मात्रा लगभग 33.9 प्रतिशत पर सीमित थी। दो हार्मोनिक रूप से व्यवस्थित कंपनों का उपयोग करके, टीम ने 50 प्रतिशत की रूपांतरण दक्षता प्राप्त की, जो एक महत्वपूर्ण सुधार है और अधिक शक्तिशाली क्वांटम नियंत्रण के द्वार खोलता है।

इस नए उपकरण की बहुमुखी प्रतिभा को तीन अलग-अलग प्रकार के प्रकाश पैटर्न बनाकर प्रदर्शित किया गया। पहले, उन्होंने एक एकल स्थानांतरित आवृत्ति पर भेजी जाने वाली शक्ति को अधिकतम किया, जिससे ऊपर वर्णित 50 प्रतिशत दक्षता प्राप्त हुई। दूसरा, उन्होंने प्रकाश आवृत्तियों की एक सपाट, सात-रेखाओं वाली "कॉम्ब" (comb) बनाई, जहाँ शक्ति सात अलग-अलग चैनलों में समान रूप से वितरित थी और उनके बीच बहुत कम भिन्नता थी। तीसरा, उन्होंने एक सिंगल-साइडबैंड फ्रीक्वेंसी शिफ्ट तैयार की, जो एक अत्यधिक वांछनीय अवस्था है जहाँ प्रकाश को एक नई आवृत्ति पर स्थानांतरित किया जाता है जबकि मूल सिग्नल और एक अवांछित मिरर इमेज लगभग पूरी तरह से शांत हो जाते हैं। इस कॉन्फ़िगरेशन में, डिवाइस ने मूल सिग्नल को 60 डेसिबल और अवांछित इमेज को 53 डेसिबल तक दबा दिया, जो एक स्तर की सटीकता को दर्शाता है जो इस प्रकार के एकीकृत मॉड्यूलेटर के लिए उच्चतम रिपोर्ट किया गया है। ये परिणाम केवल सैद्धांतिक नहीं थे; शोधकर्ताओं ने इन उपकरणों को एक मानक वाणिज्यिक फैक्ट्री में निर्मित किया जो कंप्यूटर चिप बनाती है, जिससे यह सिद्ध होता है कि इस तकनीक का बड़े पैमाने पर उत्पादन किया जा सकता है। उन्होंने तीन अलग-अलग वेफर्स से 36 उपकरणों का परीक्षण किया और पाया कि उनमें से 91.7 प्रतिशत बिना किसी समायोजन के पूरी तरह से काम कर रहे थे।

क्वांटम तकनीक के लिए इसके निहितार्थ पर्याप्त हैं। कई अग्रणी क्वांटम कंप्यूटर रुबिडियम जैसे परमाणुओं पर निर्भर करते हैं, जिनमें आंतरिक ऊर्जा संक्रमण होते हैं जो 6 से 12 गीगाहर्ट्ज़ के बीच की आवृत्तियों पर होते हैं। इतनी तेज़ गति से कंपन करने वाले यांत्रिक भाग बनाना अत्यंत कठिन है क्योंकि भाग कुशलता से नियंत्रित करने के लिए बहुत छोटे और नाजुक हो जाते हैं। यह नया उपकरण एक चतुर समाधान प्रदान करता है। चिप को लक्षित आवृत्ति के एक-तिहाई और एक-छठाई हिस्से पर चलाकर, शोधकर्ता परमाणुओं के लिए आवश्यक नियंत्रण संकेत उत्पन्न कर सकते हैं, बिना उस पूर्ण, कठिन-से-पहुंच वाली गति पर कंपन करने वाले यांत्रिक रेसोनेटर की आवश्यकता के। उनके गणनाओं से पता चलता है कि उच्च आवृत्ति पर सीधे ड्राइव की 97 प्रतिशत दक्षता प्राप्त करने के लिए इन निम्न-आवृत्ति हार्मोनिक्स का उपयोग किया जा सकता है। इसका मतलब है कि रुबिडियम, सीज़ियम, बेरियम और इटरबियम पर आधारित क्वांटम सिस्टम को उच्च दक्षता के साथ नियंत्रित किया जा सकता है, जो एक ऐसे प्लेटफॉर्म का उपयोग करता है जो पहले से ही बड़े पैमाने पर निर्माण के अनुकूल है। यह कार्य यह प्रदर्शित करता है कि एक माइक्रोस्ट्रक्चर के मैकेनिकल स्पेक्ट्रम को इंजीनियर करके, रेजोनेंट एन्हांसमेंट और स्पेक्ट्रल प्रोग्रामेबिलिटी के बीच के समझौते को दूर करना संभव है, जो अगली पीढ़ी के क्वांटम नियंत्रण प्रणालियों के लिए एक स्केलेबल मार्ग प्रदान करता है।