Occupation-selective photon-pair interactions in a flux-pumped SQUID resonator

क्वांटम कंप्यूटिंग की शांत, अति-शीतित दुनिया में, वैज्ञानिक अक्सर सूचना संग्रहीत करने के लिए सूक्ष्म विद्युत परिपथों के भीतर कैद प्रकाश की ओर देखते हैं। ये परिपथ उच्च-गुणवत्ता वाले कमरों की तरह कार्य करते हैं जहाँ माइक्रोवेव फोटॉन (रेडियो आवृत्तियों पर प्रकाश के कण) लंबे समय तक बिना गायब हुए इधर-उधर उछल सकते हैं। चूंकि ये कमरे ऊर्जा को थामे रखने में बहुत कुशल हैं, इसलिए वे जटिल डेटा को संग्रहीत करने के लिए एक विशाल स्थान प्रदान करते हैं, जो साधारण दो-अवस्था वाले स्विचों की तुलना में बहुत बड़ा है। हालांकि, इस डेटा को उपयोगी बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को इसे सटीकता के साथ नियंत्रित करने में सक्षम होना चाहिए। उन्हें शेष प्रणाली को बाधित किए बिना प्रकाश पर विशिष्ट क्रियाएं करनी होती हैं। वर्षों तक, इसे करने का मानक तरीका प्रकाश की पिच (स्वर) को इस आधार पर बदलना रहा है कि उसमें कितने कण मौजूद हैं, ठीक वैसे ही जैसे गिटार के तार को दबाने पर उसका स्वर बदल जाता है। लेकिन इस विधि की सीमाएँ हैं; यह प्रकाश को एक निष्क्रिय वस्तु के रूप में मानता है जो केवल अपनी आवृत्ति बदलती है, न कि ऐसी चीज़ के रूप में जो मशीन के बाकी हिस्से के साथ अपने संपर्क की तीव्रता को सक्रिय रूप से बदल सके।

शोधकर्ताओं ने अब कहीं अधिक गहराई तक जाने का एक तरीका खोज निकाला है, जिसमें उन्होंने एक ऐसा तरीका पाया है जहाँ एक सर्किट के एक हिस्से में कणों की संख्या सीधे दूसरे हिस्से में होने वाली एक विशिष्ट अंतःक्रिया (interaction) की तीव्रता को नियंत्रित करती है, और वह भी पहले हिस्से में कणों की संख्या बदले बिना। कल्पना कीजिए कि एक संगीतकार पियानो पर एक नोट बजा रहा है जबकि पास बैठा दूसरा संगीतकार एक अकेला की (key) दबाए हुए है। इस नए सेटअप में, दूसरे संगीतकार की क्रिया केवल पहले नोट की पिच को ही नहीं बदलती; बल्कि यह वास्तव में यह भी बदल देती है कि पहला संगीतकार एक विशिष्ट कॉर्ड को कितनी ज़ोर से या कितनी धीरे बजा सकता है। यह केवल स्वर का सूक्ष्म बदलाव नहीं है; यह दो तत्वों के बीच के संबंध की शक्ति में एक मौलिक परिवर्तन है। एक विशेष सुपरकंडक्टिंग लूप, जिसे SQUID कहा जाता है, जो बिजली के लिए एक ट्यूनेबल ब्रिज के रूप में कार्य करता है, का उपयोग करके शोधकर्ताओं ने एक ऐसे सिस्टम का मॉडल तैयार किया जहाँ "कंट्रोलर" मोड में फोटॉन की उपस्थिति "सिग्नल" मोड के लिए जुड़ाव के नियमों को नया आकार देती है।

शोधकर्ताओं ने एक ऐसे सर्किट का विश्लेषण किया जहाँ बिजली के दो अलग-अलग कंपन मोड एक ही भौतिक पुल को साझा करते हैं। उन्होंने इस ब्रिज को एक लयबद्ध चुंबकीय संकेत के साथ पंप किया, जिसे फ्लक्स पंपिंग (flux pumping) नामक तकनीक कहा जाता है, जिसे सिग्नल मोड में फोटॉन के जोड़े बनाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। आमतौर पर, जब वैज्ञानिक ऐसी प्रक्रिया को नियंत्रित करना चाहते हैं, तो वे इस तथ्य पर भरोसा करते हैं कि अन्य कणों की उपस्थिति अंतःक्रिया की आवृत्ति को बदल देती है। यदि कंट्रोलर में शून्य कण हैं, तो सिग्नल एक आवृत्ति पर अनुनाद (resonate) करता है; यदि इसमें एक कण है, तो यह दूसरी आवृत्ति पर अनुनाद करता है। यह एक सुप्रसिद्ध प्रभाव है जिसे 'क्रॉस-केर शिफ्ट' (cross-Kerr shift) कहा जाता है। हालाँकि, टीम ने पाया कि यह आवृत्ति बदलाव केवल आधी कहानी थी। यहाँ तक कि जब उन्होंने सिस्टम को इस तरह से सावधानीपूर्वक ट्यून किया कि सिग्नल कंट्रोलर के विभिन्न कणों की संख्या के लिए पूरी तरह से अनुनाद में रहे, फिर भी अंतःक्रिया की शक्ति—अर्थात ऊर्जा स्तरों के बीच का अंतर—कंट्रोलर में कणों की संख्या के आधार पर बदलती रही।

इसे समझने के लिए, शोधकर्ताओं को सुपरकंडक्टिंग लूप के मूल गणित को देखना पड़ा, जो एक तरंग की तरह व्यवहार करता है जिसे कोसाइन फलन (cosine function) द्वारा वर्णित किया जा सकता है। जब उन्होंने सिग्नल मोड में फोटॉन के जोड़े बनाने की सटीक संभावना की गणना की, जबकि कंट्रोलर मोड को अपरिवर्तित छोड़ दिया गया, तो उन्होंने पाया कि कंट्रोलर की कण संख्या सीधे सूत्र में दिखाई देती है। यह ऐसा था मानो कंट्रोलर अंतःक्रिया को एक गुप्त संदेश फुसफुसा रहा हो, जो बिना स्वयं बोले ही उसके आयतन (volume) को बदल रहा है। यह प्रभाव इसलिए उत्पन्न होता है क्योंकि कंट्रोलर मोड के क्वांटम उतार-चढ़ाव भौतिक रूप से उसी नॉनलीनियर तत्व में मौजूद होते हैं जिसमें सिग्नल मोड होता है। भले ही इस विशिष्ट संक्रमण के दौरान ऊर्जा का कोई आदान-प्रदान नहीं होता है, फिर भी कंट्रोलर के कणों का मात्र अस्तित्व उस परिदृश्य को संशोधित कर देता है जिससे सिग्नल गुजरता है।

टीम ने उन्नत गणितीय मॉडलिंग और उच्च-परिशुद्धता संख्यात्मक सिमुलेशन के संयोजन के माध्यम से इस खोज की पुष्टि की। उन्होंने अपने सरल सिद्धांतों की तुलना सर्किट के पूर्ण, अन-एक्सपेंडेड सिमुलेशन से की, जो एक आदर्श संदर्भ के रूप में कार्य करता है। परिणामों ने दिखाया कि अंतःक्रिया की शक्ति कंट्रोलर की विभिन्न संभावित अवस्थाओं के अनुसार काफी भिन्न होती है। उदाहरण के लिए, जब कंट्रोलर खाली था, तो अंतःक्रिया की एक विशिष्ट शक्ति थी। जब कंट्रोलर में केवल एक कण था, तो शक्ति उल्लेखनीय रूप से कम हो गई। यह भिन्नता आवृत्ति बदलाव का दुष्प्रभाव नहीं थी; यह अंतःक्रिया का एक विशिष्ट, मापने योग्य गुण था। इन परिवर्तनों का मानचित्र बनाकर, शोधकर्ताओं ने एक द्वि-आयामी परिदृश्य बनाया जहाँ अंतःक्रिया की पिच और वॉल्यूम दोनों को कंट्रोलर की अवस्था द्वारा स्वतंत्र रूप से नियंत्रित किया जा सकता है।

यह नियंत्रण क्वांटम सूचना को संसाधित करने के लिए नई संभावनाएं खोलता है। क्योंकि अंतःक्रिया की शक्ति कंट्रोलर की अवस्था पर निर्भर करती है, इसलिए शोधकर्ता सिग्नल के भीतर एक विशिष्ट संक्रमण को संचालित कर सकते हैं जबकि अन्य को अनदेखा कर सकते हैं। उन्होंने प्रदर्शित किया कि पंप फ्रीक्वेंसी को एक विशिष्ट स्थान पर ट्यून करके, वे सिग्नल को दो कणों से चार कणों तक उच्च सटीकता के साथ ले जा सकते हैं, जबकि अन्य संभावित संक्रमणों को अछूता छोड़ सकते हैं। यह चयनात्मकता जटिल क्वांटम मेमोरी बनाने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है, जहाँ आपको अपने पड़ोसियों को गलती से बाधित किए बिना डेटा के एक हिस्से को संबोधित करने की आवश्यकता होती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि वे गति और सटीकता के बीच संतुलन बना सकते हैं; एक कमजोर पंप का उपयोग करके, वे चयन को और भी अधिक सटीक बना सकते थे, हालांकि इसमें ऑपरेशन पूरा करने में अधिक समय लगेगा।

साधारण चयन से परे, शोधकर्ताओं ने यह भी पता लगाया कि क्या होता है जब कंट्रोलर को एक क्वांटम सुपरपोजिशन (एक ऐसी अवस्था जहाँ वह प्रभावी रूप से एक ही समय में कणों की दो अलग-अलग संख्याएँ रखता है) में रखा जाता है। इस परिदृश्य में, सिग्नल मोड केवल एक पथ का अनुसरण नहीं करता है; यह दो अलग-अलग पथों का एक साथ अनुसरण करता है, जिनमें से प्रत्येक कंट्रोलर के एक अलग रूप द्वारा निर्देशित होता है। क्योंकि प्रत्येक पथ के लिए अंतःक्रिया की शक्ति और अनुनाद अलग-अलग होते हैं, इसलिए सिग्नल एक ही समय में दो अलग-अलग तरीकों से विकसित होता है। यह कंट्रोलर और सिग्नल के बीच एक गहरा संबंध, या एंटैंगलमेंट (entanglement), पैदा करता है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि यह प्रक्रिया लगभग एक पूर्ण इकाई एंटैंगलमेंट उत्पन्न कर सकती है, जो क्वांटम प्रणालियों के लिए एक महत्वपूर्ण मात्रा है, जो प्रभावी रूप से कंट्रोलर की स्थिति को सिग्नल की स्थिति से इस तरह जोड़ती है जिसे शास्त्रीय भौतिकी द्वारा वर्णित नहीं किया जा सकता।

इसके अलावा, टीम ने दिखाया कि इस तंत्र का उपयोग अत्यधिक जटिल, गैर-मानक क्वांटम अवस्थाओं को बनाने के लिए किया जा सकता है। जब सिग्नल को एक विशिष्ट कंट्रोलर सेक्टर में संचालित किया जाता है, तो यह ऊर्जा स्तरों की एक सीढ़ी पर चढ़ता है जो इसके आकार को विकृत कर देता है, जिससे इसके क्वांटम मानचित्र में नकारात्मक प्रायिकता वाले क्षेत्र बनते हैं। ये "नकारात्मक" क्षेत्र वास्तव में क्वांटम व्यवहार के लक्षण हैं जिन्हें साधारण तरंगों की नकल करके नहीं बनाया जा सकता। शोधकर्ताओं ने पाया कि सही कंट्रोलर अवस्था चुनकर, वे सिग्नल को इस अत्यधिक गैर-शास्त्रीय शासन (regime) में धकेल सकते हैं, जबकि अन्य कंट्रोलर अवस्थाओं में सिग्नल को लगभग पूरी तरह से अप्रभावित छोड़ सकते हैं। कंट्रोलर की स्थिति के एक साधारण स्विच के माध्यम से जटिल क्वांटम गतिशीलता को चालू करने की यह क्षमता, उन्नत क्वांटम एरर करेक्शन और सेंसिंग के लिए आवश्यक विलक्षण अवस्थाओं को उत्पन्न करने हेतु एक शक्तिशाली उपकरण प्रदान करती है।

निष्कर्ष केवल सैद्धांतिक नहीं थे; शोधकर्ताओं ने एक स्पष्ट रोडमैप भी प्रदान किया कि इसे वास्तविक प्रयोगशाला में कैसे बनाया जा सकता है। उन्होंने वास्तविक सर्किट में हस्तक्षेप करने वाले अन्य शोर वाले संकेतों से इस प्रभाव को अलग करने के लिए आवश्यक विशिष्ट स्थितियों की पहचान की। यह सुनिश्चित करके कि अन्य अवांछित मोड की आवृत्तियाँ पंप सिग्नल से पर्याप्त दूर हैं, वांछित अंतःक्रिया को स्पष्ट रूप से उभारा जा सकता है। टीम ने पुष्टि की कि आवश्यक घटक, जैसे कि सुपरकंडक्टिंग लूप्स और चुंबकीय क्षेत्रों के माध्यम से उन्हें ट्यून करने की क्षमता, आधुनिक क्वांटम कंप्यूटिंग हार्डवेयर में पहले से ही उपलब्ध हैं। इसका अर्थ है कि 'ऑक्यूपेशन-कंट्रोल्ड इंटरैक्शन' कोई दूर का सपना नहीं है, बल्कि एक ऐसी विशेषता है जिसे मौजूदा उपकरणों में इंजीनियर किया जा सकता है।

अंततः, यह कार्य क्वांटम दुनिया में नियंत्रण के एक नए स्तर को प्रकट करता है। यह दिखाता है कि सिस्टम के एक हिस्से की अवस्था दूसरे हिस्से की आवृत्ति को बदलने के अलावा, उनके बीच के संबंध की शक्ति को मौलिक रूप से बदल सकती है। यह खोज सरल आवृत्ति ट्यूनिंग के विचार से आगे बढ़कर एक ऐसी विधि पेश करती है जहाँ अंतःक्रिया की प्रकृति वास्तव में एक साथी की क्वांटम अवस्था पर निर्भर करती है। इस सशर्त गतिशीलता (conditional dynamics) में महारत हासिल करके, वैज्ञानिक अधिक सटीक, अधिक चयनात्मक और अधिक शक्तिशाली क्वांटम मशीनें बना सकते हैं, जो प्रकाश को उन तरीकों से हेरफेर करने में सक्षम होंगी जो पहले असंभव माने जाते थे। कंट्रोलर की सही अवस्था तैयार करके, मांग पर एंटैंगलमेंट और जटिल क्वांटम अवस्थाओं को उत्पन्न करने की क्षमता, व्यावहारिक क्वांटम प्रौद्योगिकियों की इंजीनियरिंग की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है।