A programmable quantum photonic platform integrating coherent emitters

क्वांटम कंप्यूटिंग का सपना अक्सर एक दूरस्थ क्षितिज जैसा महसूस होता है, एक ऐसी जगह जहाँ सूचना बिजली के निरंतर प्रवाह द्वारा नहीं, बल्कि प्रकाश के कणों के अजीब और नाजुक व्यवहार द्वारा संसाधित की जाती है। इस दृष्टि को वास्तविकता बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को ऐसे सूक्ष्म सर्किट बनाने की आवश्यकता है जो इन प्रकाश कणों को उसी सटीकता के साथ उत्पन्न, निर्देशित और हेरफेर कर सकें, जैसे आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स इलेक्ट्रॉनों को संभालते हैं। चुनौती दो बहुत अलग दुनियाओं को मिलाने में निहित है: वे स्रोत जो शुद्ध, एकल प्रकाश कणों का निर्माण करते हैं, और उन्हें निर्देशित करने के लिए आवश्यक जटिल वायरिंग। जबकि शोधकर्ताओं ने सूक्ष्म अर्धचालक संरचनाओं का उपयोग करके उच्च-गुणवत्ता वाले प्रकाश स्रोतों को बनाने की कला में महारत हासिल कर ली है, और अलग से, उन्होंने प्रकाश को मार्ग देने के लिए परिष्कृत सर्किट बनाए हैं, इन दोनों तकनीकों को एक ही चिप पर एक साथ लाना एक कठिन बाधा बना हुआ है। कठिनाई केवल उन्हें अगल-बगल रखने में नहीं है, बल्कि उन्हें उस अत्यधिक ठंड के बिना एक साथ काम करने में सक्षम बनाने में है, जिसकी आवश्यकता प्रकाश स्रोतों के लिए होती है, क्योंकि यह सर्किट की नाजुक यांत्रिकी में व्यवधान डाल सकती है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस समस्या को हल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाते हुए एक नए प्रकार के प्रोग्रामेबल प्लेटफॉर्म का प्रदर्शन किया है जो इन घटकों को एक एकल, कार्यशील प्रणाली में एकीकृत करता है। उन्होंने गैलियम आर्सेनाइड से बनी एक चिप पर एक उपकरण बनाया जो एकल फोटॉन के स्रोत और उन्हें विभिन्न पथों पर भेजने के लिए एक मैकेनिकल स्विच को एक साथ नियंत्रित कर सकता है। स्रोत एक क्वांटम डॉट है, जो एक सूक्ष्म अर्धचालक संरचना है जो एक बार में प्रकाश का एक कण उत्सर्जित करती है, जबकि स्विच एक छोटा, गतिशील दर्पण जैसी संरचना है जिसे प्रकाश को विभिन्न पथों पर भेजने के लिए बिजली से समायोजित किया जा सकता है। महत्वपूर्ण रूप से, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि वे प्रकाश स्रोत और स्विच दोनों को एक साथ संचालित कर सकते हैं, यहाँ तक कि उस जमा देने वाले तापमान पर भी जिसकी शुद्ध प्रकाश बनाए रखने के लिए आवश्यकता होती है। यह एकीकरण उन्हें जटिल कार्य करने की अनुमति देता है, जैसे कि प्रकाश की एक बीम को विभाजित करना, दो अलग-अलग बीमों के बीच हस्तक्षेप (interfere) करना, और यह मापना कि प्रकाश स्रोत से कैसे टकराकर वापस आता है, यह सब एक ही, पुन: विन्यास योग्य (reconfigurable) आर्किटेक्चर के भीतर।

इस उपलब्धि का केंद्र एक चिप है जिसमें कई स्वतंत्र घटक होते हैं, जिनमें से प्रत्येक का अपना विद्युत नियंत्रण होता है, फिर भी वे सभी सूक्ष्म प्रकाश मार्गों (light guides) के नेटवर्क द्वारा जुड़े होते हैं। शोधकर्ताओं ने चिप को इस तरह से डिजाइन किया कि प्रकाश स्रोत को ट्यून करने के लिए उपयोग किए जाने वाले विद्युत संकेतों से मैकेनिकल स्विच को चलाने वाले संकेतों में हस्तक्षेप न हो। यह एक बड़ी बाधा थी क्योंकि प्रकाश स्रोत को संचालित करने के लिए एक सौम्य वोल्टेज की आवश्यकता होती है, जबकि मैकेनिकल स्विच को हिलने के लिए बहुत अधिक शक्तिशाली धक्के की आवश्यकता होती है। विद्युत कनेक्शनों को सावधानीपूर्वक अलग करके, टीम ने यह सुनिश्चित किया कि स्विच को समायोजित करते समय भी प्रकाश के नाजुक क्वांटम गुण बरकरार रहे। परिणाम एक ऐसा सिस्टम है जहाँ एक एकल फोटॉन उत्पन्न किया जा सकता है, एक मैकेनिकल स्विच के माध्यम से निर्देशित किया जा सकता है, और फिर पता लगाया जा सकता है, वह भी अपने अद्वितीय क्वांटम चरित्र को बनाए रखते हुए।

यह सिद्ध करने के लिए कि सिस्टम ने इच्छानुसार काम किया, वैज्ञानिकों ने पहले मैकेनिकल स्विच की एकल फोटॉन को संभालने की क्षमता का परीक्षण किया। उन्होंने एक एकल क्वांटम डॉट से प्रकाश को स्विच में निर्देशित किया और स्विच से निकलने वाले दो आउटपुट पथों में प्रकाश को मापा। जैसे ही उन्होंने स्विच पर वोल्टेज को समायोजित किया, प्रत्येक पथ में जाने वाले प्रकाश का अनुपात सुचारू रूप से बदल गया, जो सटीक नियंत्रण को प्रदर्शित करता है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि उन्होंने पुष्टि की कि प्रकाश पूरी प्रक्रिया के दौरान व्यक्तिगत कणों का एक प्रवाह बना रहा। भले ही स्विच को प्रकाश को विभिन्न दिशाओं में भेजने के लिए ट्यून किया गया था, फोटॉन एक साथ नहीं जुड़े या उन्होंने अपनी एकल-कण प्रकृति नहीं खोई। इसने दिखाया कि स्विच की यांत्रिक गति ने प्रकाश की क्वांटम अवस्था को बाधित नहीं किया, जो किसी भी भविष्य के क्वांटम कंप्यूटर के लिए एक महत्वपूर्ण आवश्यकता है।

शोधकर्ताओं ने इसके बाद यह भी पता लगाया कि क्या प्रकाश में अपने आप के साथ हस्तक्षेप करने की क्षमता बनी रहती है, जो क्वांटम यांत्रिकी का एक मौलिक गुण है। उन्होंने एक प्रयोग स्थापित किया जहाँ एक ही स्रोत से आने वाले फोटॉन को विभाजित किया गया और फिर से जोड़ा गया, जिससे एक ऐसा पैटर्न बना जो प्रकाश की तरंग-जैसी प्रकृति पर निर्भर करता है। मापों से पता चला कि फोटॉन वास्तव में एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप कर सकते हैं, जिससे एक स्पष्ट संकेत प्राप्त हुआ जिसने पुष्टि की कि उनकी सुसंगति (coherence) सुरक्षित रही। इसका अर्थ है कि क्वांटम डॉट से उत्सर्जित प्रकाश चिप के जटिल वायरिंग और यांत्रिक घटकों से गुजरने के बाद भी स्थिर और अनुमानित बना रहा। इस सुसंगति को बनाए रखने की क्षमता उन जटिल गणनाओं को करने के लिए आवश्यक है जिन्हें करने के लिए क्वांटम कंप्यूटर डिज़ाइन किए गए हैं।

साधारण रूटिंग से परे, टीम ने प्रदर्शित किया कि इस प्लेटफॉर्म का उपयोग अधिक जटिल तरीकों से पदार्थ के साथ प्रकाश की अंतःक्रिया (interaction) का अध्ययन करने के लिए किया जा सकता है। उन्होंने दिखाया कि सिस्टम यह माप सकता है कि एक एकल क्वांटम डॉट एक विशिष्ट आवृत्ति पर ट्यून होने पर प्रकाश को कैसे परावर्तित और संचारित करता है। मैकेनिकल स्विच को समायोजित करके, वे उस प्रकाश को अलग कर सके जो स्रोत से टकराकर वापस आया और उस प्रकाश को जो पार होकर गया। इसने उन्हें यह देखने की अनुमति दी कि क्वांटम डॉट ने प्रकाश को कैसे संशोधित किया, जिससे ट्रांसमिटेड सिग्नल में गिरावट (dip) और रिफ्लेक्टेड सिग्नल में एक शिखर (peak) उत्पन्न हुआ। इन मापों ने पुष्टि की कि इस प्लेटफॉर्म का उपयोग प्रकाश-पदार्थ अंतःक्रिया के मौलिक गुणों की जांच करने के लिए किया जा सकता है, जो नए प्रकार के क्वांटम प्रयोगों के द्वार खोलता है।

शायद सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि शोधकर्ताओं ने दिखाया कि सिस्टम एक ही समय में दो अलग-अलग प्रकाश स्रोतों को नियंत्रित कर सकता है। उन्होंने दो अलग-अलग क्वांटम डॉट्स को बिल्कुल एक ही आवृत्ति पर प्रकाश उत्सर्जित करने के लिए ट्यून किया, जिससे निर्माण के दौरान होने वाली प्राकृतिक विविधताओं की भरपाई की जा सके। एक बार संरेखित होने के बाद, उन्होंने दोनों स्रोतों से फोटॉन को मैकेनिकल स्विच में भेजा, जहाँ वे एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप करते हैं। परिणामी मापों ने दो स्वतंत्र उत्सर्जकों के बीच क्वांटम हस्तक्षेप के स्पष्ट संकेत दिखाए। यह क्षमता क्वांटम सिस्टम को स्केल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है, क्योंकि यह सिद्ध करता है कि कई स्रोतों को उनकी व्यक्तिगत विशेषताओं को खोए बिना एक ही चिप पर सिंक्रोनाइज़ और नियंत्रित किया जा सकता है।

इस प्लेटफॉर्म की सफलता उन्नत सामग्रियों और सटीक इंजीनियरिंग के संयोजन पर निर्भर करती है। चिप को एक अर्धचालक सामग्री की परत का उपयोग करके बनाया गया था जिसे सबस्ट्रेट के ऊपर लटकाया गया था, जिससे एक मुक्त-खड़ी झिल्ली (free-standing membrane) बन गई। इस डिज़ाइन ने मैकेनिकल घटकों को बिना घर्षण के स्वतंत्र रूप से हिलने की अनुमति दी, जबकि विद्युत अलगाव खांचों (isolation trenches) ने यह सुनिश्चित किया कि चिप के एक हिस्से के संकेत दूसरे हिस्से को प्रभावित न करें। पूरा सिस्टम लगभग 5 केल्विन के तापमान पर संचालित होता है, जो क्वांटम डॉट्स को स्थिर रखने और यह सुनिश्चित करने के लिए आवश्यक है कि मैकेनिकल स्विच उच्च दक्षता के साथ कार्य करे। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि सिस्टम गर्म होने और ठंडा होने के कई चक्रों के बावजूद स्थिर रहा, जो सुझाव देता है कि यह उपकरण व्यावहारिक उपयोग के लिए पर्याप्त मजबूत है।

हालाँकि वर्तमान सिस्टम एक 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' है, शोधकर्ता इसकी क्षमताओं का विस्तार करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग देखते हैं। वे सुझाव देते हैं कि भविष्य के संस्करणों में बाहरी उपकरणों की आवश्यकता को समाप्त करने के लिए ऑन-चिप डिटेक्टर शामिल किए जा सकते हैं, और इन्हें प्रकाश की विभिन्न तरंग दैर्ध्य (wavelengths) के साथ काम करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। इन घटकों को एक एकल, प्रोग्रामेबल प्लेटफॉर्म में एकीकृत करना अलग-थलग क्वांटम उपकरणों के निर्माण से जटिल, परस्पर जुड़े सिस्टम बनाने की ओर एक बदलाव है। यह कार्य अगली पीढ़ी के क्वांटम फोटोनिक सर्किट के लिए एक आधार प्रदान करता है, जहाँ प्रकाश के उत्पादन, हेरफेर और पहचान को एक ही, पुन: विन्यास योग्य चिप पर किया जा सकता है। कई क्वांटम उत्सर्जकों को नियंत्रित करने और उनके प्रकाश को सटीकता के साथ निर्देशित करने की क्षमता एक पूर्णतः एकीकृत क्वांटम प्रोसेसर के दृष्टिकोण को वास्तविकता के एक कदम और करीब ले आती है।