Time-Bin Properties of Photon Pairs from a 2GHz Waveguide Resonator

इंटरनेट का भविष्य एक नए प्रकार के जुड़ाव पर निर्भर हो सकता है, जो विद्युत संकेतों या मानक प्रकाश स्पंदों (light pulses) पर नहीं, बल्कि प्रकाश के व्यक्तिगत कणों के सूक्ष्म व्यवहार पर आधारित है। वैज्ञानिक ऐसे नेटवर्क बनाने पर काम कर रहे हैं जो क्वांटम भौतिकी के विचित्र नियमों का उपयोग करके, पूर्ण सुरक्षा और अभूतपूर्व गति के साथ सूचना प्रसारित कर सकें। इन नेटवर्कों के लिए एक प्रमुख आवश्यकता प्रकाश के कणों के ऐसे जोड़े बनाने की क्षमता है जो आपस में अटूट रूप से जुड़े हों, ताकि एक के साथ जो होता है वह दूसरे को तुरंत प्रभावित करता है, चाहे उनके बीच की दूरी कितनी भी क्यों न हो। इसे वास्तविक दुनिया में काम करने के लिए, इन कणों को मानक कांच के रेशों (glass fibers) से गुजरना होगा, जिसका अर्थ है कि उन्हें प्रकाश के उन विशिष्ट रंगों के अनुरूप ट्यून किया जाना चाहिए जो न्यूनतम हानि के साथ उस सामग्री से गुजर सकें। इसके अलावा, नेटवर्क को इन कणों को निरंतर प्रवाह के बजाय छोटे, समयबद्ध विस्फोटों (bursts) के रूप में संभालने की आवश्यकता है, जिससे सिस्टम के विभिन्न भाग अपनी क्रियाओं को सिंक्रोनाइज़ (तालमेल बिठाना) कर सकें। चुनौती एक ऐसे स्रोत को बनाने की है जो इन जुड़े हुए जोड़ों को बहुत ही विशिष्ट और संकीर्ण रंग सीमा के साथ विश्वसनीय रूप से उत्पन्न करे, जबकि उनके आगमन का समय जटिल गणनाओं के लिए उपयोगी होने हेतु पर्याप्त सटीक बना रहे।

उल्म, जर्मनी की एक प्रयोगशाला में, शोधकर्ता स्टेफ़न काज़मायर और कैसा लाइहो ने यह अध्ययन करके इस पहेली को सुलझाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है कि जब ये जुड़े हुए प्रकाश कण एक छोटे, विशेषीकृत कैविटी (cavity) के भीतर जन्म लेते हैं, तो वे कैसे व्यवहार करते हैं। उन्होंने लिथियम नियोबेट नामक क्रिस्टल से बने एक उपकरण का उपयोग किया, जिसे एक एकल लेजर बीम से कणों के जोड़े उत्पन्न करने में मदद करने के लिए सूक्ष्म पैटर्न के साथ इंजीनियर किया गया है। इस क्रिस्टल को दोनों सिरों पर दर्पणों के साथ एक संकीले चैनल, या वेवगाइड (waveguide) के रूप में आकार दिया गया है ताकि प्रकाश को कैद करने और एक रेज़ोनेटर (resonator) बनाने के लिए उसे फंसाया जा सके। जब लेजर प्रकाश का एक छोटा स्पंद इस चैनल में प्रवेश करता है, तो यह दो नए कणों में विभाजित हो जाता है, जिन्हें सिग्नल और आइडलर (signal and idler) कहा जाता है, जो ऊर्जा में पूरी तरह से मेल खाते हैं और रेज़ोनेटर के भीतर सीमित होते हैं। शोधकर्ताओं ने इस उपकरण के एक संस्करण पर ध्यान केंद्रित किया जो लगभग 2 गीगाहर्ट्ज़ की बैंडविड्थ वाला प्रकाश उत्पन्न करता है, जो भविष्य की क्वांटम मेमोरी प्रणालियों के अनुकूल पर्याप्त संकीर्ण है लेकिन 'पल्स्ड मोड' में संचालित होने के लिए पर्याप्त तेज़ भी है।

टीम ने यह समझने के लिए प्रयास किया कि इन कणों के आगमन के समय अंतराल का सटीक आकार और अवधि क्या है। क्वांटम नेटवर्क की दुनिया में, इन अंतरालों को 'टाइम बिन्स' (time bins) कहा जाता है, और उनकी लंबाई यह निर्धारित करती है कि सूचना कितनी तेज़ी से भेजी जा सकती है और नेटवर्क के विभिन्न भाग कितनी अच्छी तरह तालमेल बिठा सकते हैं। इसकी जांच करने के लिए, शोधकर्ताओं ने पहले पुष्टि की कि उनका उपकरण वास्तव में अपेक्षित जुड़े हुए जोड़े ही बना रहा है। उन्होंने सिग्नल और आइडलर कणों के बीच के संबंध को मापा और पाया कि उनके बीच एक मजबूत संबंध है, जिससे यह सिद्ध हुआ कि कण एक साथ जोड़े में बन रहे हैं न कि यादृच्छिक (randomly) रूप से प्रकट हो रहे हैं। यह पुष्टि महत्वपूर्ण थी, क्योंकि इसने यह प्रमाणित किया कि उनके स्रोत ने कणों के सूक्ष्म विवरणों की जांच करने से पहले सही ढंग से कार्य किया है।

इसके बाद, वैज्ञानिकों ने दो अलग-अलग स्थितियों के तहत कणों के समय का अध्ययन किया। सबसे पहले, उन्होंने उपकरण को एक साथ कई अलग-अलग अनुनाद आवृत्तियों (resonant frequencies) पर प्रकाश उत्सर्जित करने दिया, जिसे मल्टीमोड (multimode) स्थिति कहा जाता है। इस परिदृश्य में, कणों के आगमन के समय ने एक जटिल पैटर्न दिखाया जिसमें लहरें थीं, जो तालाब में लहरों के आपस में टकराने से दिखने वाले हस्तक्षेप पैटर्न (interference patterns) के समान है। ये लहरें प्रकाश की विभिन्न आवृत्तियों के एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप के कारण उत्पन्न हुई थीं। हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने केवल एक एकल आवृत्ति, या एक एकल रेज़ोनेटर मोड को चुनने के लिए एक फ़िल्टर का उपयोग किया, तो वे लहरें गायब हो गईं। समय का पैटर्न एक सहज, स्थिर क्षय (decay) में बदल गया, जिससे पता चला कि कण एक बहुत अधिक अनुमानित और समान प्रवाह में आ रहे हैं। इस परिवर्तन ने पुष्टि की कि पहले देखे गए जटिल पैटर्न वास्तव में कई आवृत्तियों के आपस में मिलने का परिणाम थे, और एकल आवृत्ति को अलग करने से एक स्वच्छ, अधिक उपयोगी संकेत प्राप्त होता है।

शायद सबसे आश्चर्यजनक खोज यह थी कि प्रत्येक जोड़े के दो कण बिल्कुल एक जैसा व्यवहार नहीं करते हैं, भले ही वे एक साथ बनाए गए हों। शोधकर्ताओं ने पाया कि सिग्नल कण अधिक समय तक रहता है, जिसकी अवधि लगभग 0.94 नैनोसेकंड है, जबकि उसका साथी आइडलर कण बहुत तेज़ी से, केवल 0.23 नैनोसेकंड में समाप्त हो जाता है। यह अंतर कोई गलती या उपकरण की खामी नहीं थी; यह उपकरण का एक मौलिक गुण था। क्रिस्टल चैनल ने दोनों कणों के साथ अलग तरह से व्यवहार किया क्योंकि वे अलग-अलग ध्रुवीकृत (polarized) थे, जिसका अर्थ है कि उनकी प्रकाश तरंगें क्रिस्टल की संरचना के सापेक्ष अलग-अलग दिशाओं में उन्मुख थीं। इस अभिविन्यास (orientation) के अंतर के कारण उन्हें उपकरण के माध्यम से यात्रा करते समय अलग-अलग मात्रा में हानि (loss) का अनुभव हुआ, जिसने बदले में यह निर्धारित किया कि वे कितने समय तक टिके रहेंगे। शोधकर्ता कंप्यूटर पर इस व्यवहार का अनुकरण (simulate) करने में सक्षम थे, और उनके मॉडल प्रायोगिक परिणामों से पूरी तरह मेल खा गए, जिससे पुष्टि हुई कि समय का अंतर सीधे तौर पर इस बात से उत्पन्न हुआ था कि क्रिस्टल प्रत्येक कण के साथ कैसे परस्पर क्रिया करता है।

ये निष्कर्ष बेहतर क्वांटम नेटवर्क बनाने के लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करते हैं। यह समझकर कि प्रकाश स्रोत के भौतिक गुण कणों के समय को कैसे प्रभावित करते हैं, इंजीनियर अब ऐसे उपकरण डिजाइन कर सकते हैं जो विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक सटीक अवधि वाला प्रकाश उत्पन्न करें। इन 'टाइम बिन्स' की भविष्यवाणी करने और उन्हें नियंत्रित करने की क्षमता एक क्वांटम नेटवर्क के विभिन्न हिस्सों को जोड़ने के लिए आवश्यक है, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि सूचना प्रसंस्करण या भंडारण के लिए सही समय पर पहुँचे। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि एक जटिल क्वांटम प्रकाश स्रोत में भी, कणों के व्यवहार को उस भौतिक वातावरण का सावधानीपूर्वक प्रबंधन करके समझा और नियंत्रित किया जा सकता है जिसमें वे उत्पन्न होते हैं। जैसे-जैसे यह क्षेत्र व्यावहारिक अनुप्रयोगों की ओर बढ़ता है, प्रकाश स्पंदों के समय और आकार पर इस प्रकार का सटीक नियंत्रण क्वांटम नेटवर्क के सैद्धांतिक वादे को एक कामकाजी वास्तविकता में बदलने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण होगा।