Inverse-Designed Nanobeam Cavities for High-Cooperativity Spin-Photon Interfaces in Silicon

एक भविष्य के इंटरनेट के निर्माण के लिए जो विशाल दूरियों पर सुरक्षित रूप से सूचना प्रसारित कर सके, वैज्ञानिक क्वांटम नेटवर्क बनाने के लिए काम कर रहे हैं। ये नेटवर्क दो बहुत ही अलग चीजों के बीच एक नाजुक तालमेल (handshake) पर निर्भर करते हैं: स्थिर क्वांटम मेमोरीज़, जो सूचना को हार्ड ड्राइव की तरह एक जगह थामे रखती हैं, और उड़ते हुए फोटोनिक क्विबिट्स (photonic qubits), जो प्रकाश के कण हैं जो नेटवर्क में उस सूचना को ले जाते हैं। चुनौती उन्हें कुशलतापूर्वक जोड़ने में निहित है। यदि कनेक्शन कमजोर है, तो सूचना यात्रा करने से पहले ही खो जाती है या दूषित हो जाती है। इस तालमेल को सफल बनाने के लिए, प्रकाश उत्सर्जक (light-emitting source) को प्रकाश के एक विशिष्ट, व्यवस्थित चैनल के साथ संवाद करने में सक्षम होना चाहिए, न कि अपनी ऊर्जा को हर दिशा में बिखेर देना चाहिए। इस दक्षता को 'कूपरैटिविटी' (cooperativity) नामक एक अवधारणा द्वारा मापा जाता है, जो मूल रूप से यह पूछती है कि उत्सर्जक कितनी अच्छी तरह से अपने प्रकाश को एक एकल, उपयोगी पथ में डालने के लिए मजबूर कर सकता है, बजाय इसके कि वह उसे बर्बाद कर दे।

सिलिकॉन इन नेटवर्कों के निर्माण के लिए एक प्रमुख उम्मीदवार है क्योंकि यह उसी सामग्री का उपयोग करता है जिसका उपयोग हमारे फोन और लैपटॉप के कंप्यूटर चिप्स बनाने के लिए किया जाता है, जिसका अर्थ है कि इसकी तकनीक पहले से ही परिपक्व और स्केलेबल है। सिलिकॉन के भीतर, शोधकर्ताओं ने सूक्ष्म दोषों, या "कलर सेंटर्स" (color centers) की खोज की है जो क्वांटम उत्सर्जक के रूप में कार्य करते हैं। इनमें से दो सबसे आशाजनक टी सेंटर (T center) और एएल1 सेंटर (Al1 center) हैं। ये दोष अपनी स्पिन अवस्थाओं (spin states) में क्वांटम सूचना को संग्रहीत कर सकते हैं और इसे टेलीकॉम तरंग दैर्ध्य (wavelengths) पर प्रकाश के रूप में उत्सर्जित कर सकते हैं, जो वैश्विक फाइबर-ऑप्टिक इंटरनेट द्वारा उपयोग की जाने वाली समान आवृत्तियाँ हैं। हालांकि, एक बड़ी बाधा बनी हुई है: जब ये केंद्र प्रकाश उत्सर्जित करते हैं, तो केवल एक छोटा सा हिस्सा ही स्वच्छ, सुसंगत सिग्नल के रूप में बाहर आता है जिसकी क्वांटम संचार के लिए आवश्यकता होती है। बाकी हिस्सा गर्मी या बिखरे हुए शोर के रूप में नष्ट हो जाता है। इन केंद्रों को एक वास्तविक नेटवर्क के लिए उपयोगी बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को प्रकाश को कैद करने और स्वच्छ सिग्नल को प्रवर्धित (amplify) करने की आवश्यकता है ताकि लगभग हर फोटॉन को पकड़ा जा सके और उसे ठीक उसी दिशा में निर्देशित किया जा सके जहाँ उसकी आवश्यकता है।

एक नए अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने सिलिकॉन संरचनाओं को डिजाइन करने की एक विधि विकसित की है जो टी सेंटर और एएल1 सेंटर दोनों के लिए इस समस्या का समाधान करती है। 'इनवर्स डिजाइन' (inverse design) नामक एक शक्तिशाली कंप्यूटर तकनीक का उपयोग करते हुए, उन्होंने सिलिकॉन की सूक्ष्म, इंजीनियर बीम बनाई हैं जो प्रकाश के लिए उच्च-प्रदर्शन वाले जाल (traps) के रूप में कार्य करती हैं। संरचना के आकार का अनुमान लगाने के बजाय, शोधकर्ताओं ने वांछित परिणाम—अधिकतम प्रकाश कैप्चर और दिशा—से शुरुआत की और कंप्यूटर एल्गोरिदम को पीछे की ओर काम करके सटीक ज्यामिति खोजने दिया। उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार की संरचना पर ध्यान केंद्रित किया जिसे 'नैनोबीम कैविटी' (nanobeam cavity) कहा जाता है, जो हवा के छिद्रों की एक श्रृंखला के साथ पैटर्न की गई सिलिकॉन की एक सूक्ष्म पट्टी है। इन छिद्रों के आकार और अंतराल को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, टीम ने प्रत्येक कलर सेंटर के लिए दो अलग-अलग प्रकार के उपकरण बनाए। एक प्रकार पूरी तरह से सममित (symmetrical) है, जिसे सिग्नल की ताकत बढ़ाने के लिए प्रकाश को यथासंभव कसकर पकड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया है। दूसरा प्रकार असममित (asymmetrical) है, जिसे प्रकाश को पर्याप्त रूप से प्रवर्धित करने के लिए बस इतना पकड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया है, और फिर उसे चिप पर एक जुड़े हुए तार जैसे चैनल में एक विशिष्ट दिशा में छोड़ दिया जाए।

सिमुलेशन दिखाते हैं कि ये डिजाइन उल्लेखनीय रूप से प्रभावी हैं। सममित कैविटीज प्रकाश के उत्सर्जन दर को 143,000 के कारक तक बढ़ा सकती हैं, जिससे एक ऐसा सिग्नल बनता है जो इतना मजबूत होता है कि प्रकाश लगभग पूरी तरह से वांछित मोड में मजबूर हो जाता है। असममित संस्करण भी प्रवर्धन का समान स्तर प्राप्त करते हैं, लेकिन एक महत्वपूर्ण अंतर के साथ: वे लगभग 90 प्रतिशत प्रवर्धित प्रकाश को चिप पर एक एकल वेवगाइड (waveguide) में निर्देशित करते हैं, जो नेटवर्क के अगले नोड को भेजने के लिए तैयार है। यह दिशात्मक नियंत्रण जटिल सर्किट बनाने के लिए महत्वपूर्ण है जहाँ प्रकाश को एक घटक से दूसरे घटक तक बिना खोए यात्रा करनी होती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि जब उन्होंने उन सूक्ष्म खामियों का अनुकरण (simulate) किया जो विनिर्माण के दौरान अनिवार्य रूप से होती हैं, जैसे कि थोड़े बड़े या छोटे छेद, तब भी उपकरणों ने असाधारण रूप से अच्छा प्रदर्शन किया। प्रकाश को पकड़ने और निर्देशित करने की क्षमता उच्च बनी रही, जिससे पता चलता है कि इन डिजाइनों को वर्तमान औद्योगिक निर्माण विधियों के साथ बनाया जा सकता है।

इस कार्य का एक महत्वपूर्ण हिस्सा एएल1 सेंटर पर केंद्रित है, जो एक अपेक्षाकृत नई खोज है जो 1482.44 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश उत्सर्जित करती है। जबकि टी सेंटर का अधिक विस्तार से अध्ययन किया गया है, यह अध्ययन पहली बार है जब एएल1 सेंटर के लिए विशेष रूप से एक कैविटी को डिजाइन किया गया है। परिणाम संकेत देते हैं कि एएल1 सेंटर, जो स्वाभाविक रूप से टी सेंटर की तुलना में उज्जवल सिग्नल उत्सर्जित करता है, इन नई सिलिकॉन संरचनाओं के साथ एकीकृत होने के बाद क्वांटम नेटवर्कों में एक शक्तिशाली भागीदार बन सकता है। टीम ने भौतिक सीमाओं को भी संबोधित किया। जबकि कंप्यूटर मॉडल अत्यंत उच्च प्रदर्शन की भविष्यवाणी करते हैं, उन्होंने स्वीकार किया कि वास्तविक दुनिया की सामग्रियों में अवशोषण सीमाएं (absorption limits) हो सकती हैं जो प्रकाश जाल की अंतिम गुणवत्ता को कम कर सकती हैं। इन यथार्थवादी बाधाओं के बावजूद, सिमुलेशन सुझाव देते हैं कि उपकरण अभी भी ऐसे क्षेत्र में काम करेंगे जहाँ प्रकाश-पदार्थ संपर्क (light-matter interaction) क्वांटम नेटवर्किंग के लिए उपयोगी होने के लिए पर्याप्त मजबूत है।

यह अध्ययन दावा नहीं करता है कि उन्होंने इन उपकरणों को अभी तक बनाया और परीक्षण किया है; परिणाम विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन पर आधारित हैं जो यह मॉडल करते हैं कि इन संरचनाओं के भीतर प्रकाश कैसे व्यवहार करेगा। हालांकि, ये डिजाइन सिलिकॉन फोटोनिक्स के भौतिक नियमों पर आधारित हैं और ऐसे मापदंडों का उपयोग करते हैं जो मानक विनिर्माण प्रक्रियाओं के अनुकूल हैं। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि प्राथमिक लक्ष्य उच्च कूपरैटिविटी (high cooperativity) तक पहुँचना है, जहाँ उत्सर्जक और कैविटी इतनी कुशलता से मिलकर काम करते हैं कि प्रकाश लगभग गारंटी के साथ नेटवर्क चैनल में प्रवेश कर जाता है। यह "स्ट्रॉन्ग कपलिंग" (strong coupling) के लक्ष्य से अलग है, जो एक अधिक चरम अवस्था है जहाँ प्रकाश और पदार्थ ऊर्जा का तेजी से आदान-प्रदान करते हैं, जिसके लिए और भी सख्त स्थितियों की आवश्यकता होती है जो वर्तमान सामग्रियों के साथ प्राप्त करना कठिन हो सकता है। उच्च कूपरैटिविटी और दिशात्मक निष्कर्षण (directional extraction) पर ध्यान केंद्रित करके, टीम ने सिलिकॉन दोषों को विश्वसनीय घटकों में बदलने के लिए एक व्यावहारिक रोडमैप प्रदान किया है।

यहाँ उपयोग किया गया दृष्टिकोण लचीला है और इसे अन्य प्रकार के क्वांटम उत्सर्जकों या सिलिकॉन से परे अन्य सामग्रियों पर भी लागू किया जा सकता है। मुख्य विचार एक एकीकृत डिजाइन रणनीति का उपयोग करना है जिसे विभिन्न प्रकाश स्रोतों की विशिष्ट आवश्यकताओं के अनुसार ट्यून किया जा सके। टी सेंटर और एएल1 सेंटर के लिए, परिणाम कॉम्पैक्ट, उच्च-प्रदर्शन वाली संरचनाओं का एक सेट है जो एकीकृत सर्किटों के लिए आवश्यक सूक्ष्म पदचिह्नों (footprints) में फिट बैठते हैं। अगला कदम वैज्ञानिक समुदाय के लिए सिमुलेशन से प्रयोगशाला की ओर बढ़ना है, जहाँ इन डिजाइनों को वास्तविक उत्सर्जकों के साथ निर्मित और परीक्षित किया जाएगा। यदि सफल रहे, तो ये इनवर्स-डिजाइन किए गए नैनोबीम कैविटीज वह आवश्यक कड़ी प्रदान कर सकते हैं जो क्वांटम मेमोरीज़ को लंबी दूरी तक संवाद करने की अनुमति देती है, जिससे क्वांटम नेटवर्क का सैद्धांतिक वादा एक भौतिक वास्तविकता में बदल जाता है।