Broadband Telecom Entanglement from an All-Fiber Type-0 Sagnac Source
यह शोध पत्र एक कॉम्पैक्ट, किफायती, ऑल-फाइबर सैग्नैक स्रोत का प्रदर्शन करता है जो ब्रॉडबैंड, नॉन-डीजेनरेट टेलीकॉम-बैंड पोलराइजेशन-एंटैंगल्ड फोटॉन पेयर्स को उच्च फिडेलिटी और ब्राइटनेस के साथ उत्पन्न करने के लिए पिगटेल्ड पेरियोडिकली पोल्ड लिथियम-नियोबेट वेवगाइड का उपयोग करता है, जो मौजूदा फाइबर इंफ्रास्ट्रक्चर के माध्यम से मल्टीयूजर एंटैंगलमेंट डिस्ट्रीब्यूशन के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है।
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आधुनिक भौतिकी के शांत कोनों में, एक विशिष्ट प्रकार के प्रकाश का अध्ययन इसकी चमक के लिए नहीं, बल्कि इसके छिपे हुए संबंधों के लिए किया जा रहा है। वैज्ञानिक प्रकाश के कणों, जिन्हें फोटॉन कहा जाता है, के जोड़े बनाने के बारे में सीख रहे हैं जो इतने गहराई से जुड़े होते हैं कि एक को मापने से तुरंत दूसरे की स्थिति का पता चल जाता है, चाहे वे एक-दूसरे से कितनी भी दूर क्यों न हों। यह घटना, जिसे एंटैंगलमेंट (entanglement) के रूप में जाना जाता है, एक ऐसे भविष्य की नींव है जहाँ सूचना सुरक्षित रूप से यात्रा करती है और कंप्यूटर उन समस्याओं को हल करते हैं जो आज की मशीनों के लिए असंभव हैं। इस तकनीक को प्रयोगशाला के बाहर उपयोगी बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को उन्हीं कांच के केबलों का उपयोग करके इन जुड़े हुए जोड़ों को विश्वसनीय रूप से उत्पन्न करने का एक तरीका चाहिए, जो पहले से ही हमारे इंटरनेट डेटा को ले जाते हैं। चुनौती एक ऐसा स्रोत बनाने में निहित है जो संक्षिप्त, किफायती और लैब बेंच से फाइबर-ऑप्टिक नेटवर्क तक की यात्रा में जीवित रहने के लिए पर्याप्त मजबूत हो, और साथ ही उस नाजुक क्वांटम संबंध को भी बनाए रखे जो इन कणों को विशेष बनाता है।
स्टॉकहोम में KTH रॉयल इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने बिल्कुल ऐसा ही उपकरण बनाया है। उन्होंने एक संक्षिप्त, 'ऑल-फाइबर' स्रोत बनाया है जो मानक, बाजार में उपलब्ध घटकों का उपयोग करके एंटैंगल्ड फोटॉन के जोड़े उत्पन्न करता है। उनकी मशीन का केंद्र एक छोटा क्रिस्टल वेवगाइड (crystal waveguide) है, एक ऐसा उपकरण जो प्रकाश को लिथियम नियोबेट नामक पदार्थ के माध्यम से निर्देशित करता है, जिसे नए प्रकाश कणों के निर्माण को प्रोत्साहित करने के लिए एक विशिष्ट आंतरिक पैटर्न के साथ इंजीनियर किया गया है। इस वेवगाइड को एक ऑप्टिकल फाइबर लूप के भीतर रखा गया है जो सग्नाक इंटरफेरोमीटर (Sagnac interferometer) के आकार का है, एक ऐसा डिज़ाइन जो प्रकाश को एक ही पथ पर विपरीत दिशाओं में यात्रा करने के लिए भेजता है। जब इस लूप में एक लेजर बीम भेजी जाती है, तो यह विभाजित होती है और घड़ी की दिशा में और घड़ी की विपरीत दिशा में दोनों तरफ चलती है। जैसे ही ये दोनों बीम क्रिस्टल से गुजरती हैं, वे कभी-कभी नए फोटॉन के जोड़ों में विभाजित हो जाती हैं। क्योंकि दोनों बीम एक ही मार्ग से यात्रा करती हैं, इसलिए घड़ी की दिशा में चलने वाली बीम द्वारा उत्पन्न जोड़े और घड़ी की विपरीत दिशा में चलने वाली बीम द्वारा उत्पन्न जोड़े एक-दूसरे से अविभाज्य होते हैं। जब ये दो संभावनाएं पुन: संयोजित होती हैं, तो वे एक एकल, एकीकृत अवस्था बनाती हैं जहाँ दो फोटॉन अपने पोलराइजेशन (polarization) में एंटैंगल्ड होते हैं, जो एक ऐसा गुण है जो यह बताता है कि उनके प्रकाश तरंगों के कंपन की दिशा क्या है।
शोधकर्ताओं ने फाइबर कनेक्टर्स और वेवलेंथ फिल्टर सहित व्यावसायिक रूप से उपलब्ध भागों का उपयोग करके इस संपूर्ण प्रणाली को असेंबल किया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि उच्च-गुणवत्ता वाले क्वांटम स्रोतों के लिए विदेशी या कस्टम-निर्मित हार्डवेयर की आवश्यकता नहीं होती है। उन्होंने इस उपकरण का परीक्षण करने के लिए 0.5 मिलीवाट की शक्ति वाली एक लेजर बीम को लूप में भेजा। मशीन ने विभिन्न रंगों में फोटॉन के जोड़े सफलतापूर्वक उत्पन्न किए, जिनमें से एक दूसरे की तुलना में थोड़ा छोटा और दूसरा थोड़ा लंबा था, जिससे उन्हें मानक दूरसंचार उपकरणों का उपयोग करके आसानी से अलग किया जा सका। फोटॉन के बीच के संबंध की गुणवत्ता को सत्यापित करने के लिए, टीम ने माप की एक श्रृंखला आयोजित की जिसने जोड़ों की पूर्ण क्वांटम अवस्था का पुनर्निर्माण किया। उन्होंने पाया कि एंटैंगलमेंट मजबूत और विश्वसनीय था। कनेक्शन की मापी गई गुणवत्ता, जिसे फिडेलिटी (fidelity) कहा जाता है, 0.850 के मान तक पहुँची, जो सूचना को दो बिंदुओं के बीच टेलीपोर्ट करने जैसे उन्नत क्वांटम कार्यों का समर्थन करने के लिए पर्याप्त रूप से उच्च है, एक ऐसी प्रक्रिया जिसके लिए शास्त्रीय भौतिकी की तुलना में अधिक मजबूत संबंध की आवश्यकता होती है।
अध्ययन ने इस बात पर भी बारीकी से नज़र डाली कि क्या होता है जब मशीन पर अधिक दबाव डाला जाता है। जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने लेजर की शक्ति बढ़ाई, फोटॉन जोड़ों की संख्या बढ़ती गई, लेकिन एंटैंगलमेंट की गुणवत्ता धीरे-धीरे कम होती गई। यह इन प्रणालियों में एक सामान्य वास्तविकता है; अधिक आउटपुट के लिए जोर देने से अक्सर शोर (noise) उत्पन्न होता है जो पूर्ण संबंध को थोड़ा धुंधला कर देता है। टीम ने यह समझने के लिए डेटा का विश्लेषण किया कि संबंध पूर्ण क्यों नहीं था। उन्होंने पाया कि लगभग 96.7 प्रतिशत फोटॉन जोड़े वांछित अवस्था में थे, लेकिन थोड़ी मात्रा में ऊर्जा अन्य अवस्थाओं में लीक हो गई थी, और मुख्य घटकों के बीच का संबंध सैद्धांतिक अधिकतम से थोड़ा कमजोर था। उन्हें संदेह है कि पूर्णता की यह हानि दो विपरीत दिशाओं में चलने वाली बीमों के सिस्टम से गुजरने के समय में सूक्ष्म अंतर के कारण होती है, ऐसे अंतर जो एक ट्रिलियनवें सेकंड के अंश में मापे जाते हैं। भले ही डिटेक्टर इन सूक्ष्म देरी को सीधे नहीं देख सकते, फिर भी वे एंटैंगलमेंट की स्पष्टता को थोड़ा कम करने के लिए पर्याप्त हैं।
इन मामूली खामियों के बावजूद, यह उपकरण व्यावहारिक क्वांटम नेटवर्क की ओर एक महत्वपूर्ण कदम है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि उनके स्रोत द्वारा उत्सर्जित प्रकाश की ब्रॉडबैंड प्रकृति इसे मानक उपकरणों का उपयोग करके कई अलग-अलग चैनलों में आसानी से विभाजित करने की अनुमति देती है, जिसका अर्थ है कि एक एकल उपकरण संभावित रूप से एक साथ कई उपयोगकर्ताओं को सेवा दे सकता है। पूरी सेटअप को किफायती और आसानी से असेंबल करने योग्य बनाया गया है, जिससे जटिल संरेखण प्रक्रियाओं की आवश्यकता समाप्त हो जाती है जिनके लिए आमतौर पर विशेषज्ञ तकनीशियनों की आवश्यकता होती है। यह प्रदर्शित करके कि एक उच्च-गुणवत्ता वाला, फाइबर-एकीकृत स्रोत सामान्य घटकों से बनाया जा सकता है, टीम ने मौजूदा फाइबर-ऑप्टिक बुनियादी ढांचे के माध्यम से एंटैंगल्ड फोटॉन वितरित करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान किया है, जिससे क्वांटम इंटरनेट का वादा वास्तविकता के करीब आ गया है।
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