Stimulated emission for a three-level artificial atom in waveguide quantum electrodynamics
यह सैद्धांतिक अध्ययन प्रदर्शित करता है कि वेवगाइड क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स में, कम एनहार्मोनिसिटी वाले तीन-स्तरीय कृत्रिम परमाणु (जैसे कि एक ट्रांसमोन) में तीसरे ऊर्जा स्तर की उपस्थिति उत्तेजित उत्सर्जन (stimulated emission) को महत्वपूर्ण रूप से दबा देती है जबकि परावर्तित क्षेत्र (reflected field) में ट्यूनेबल फोटॉन बंचिंग को सक्षम करती है।
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क्वांटम भौतिकी की सूक्ष्म दुनिया में, प्रकाश और पदार्थ केवल एक-दूसरे के पास से गुजरते नहीं हैं; वे गहराई से उलझ (entangled) सकते हैं, ऊर्जा और सूचना का इस तरह आदान-प्रदान कर सकते हैं जो रोजमर्रा की सहज बुद्धि को चुनौती देता है। यह अंतःक्रिया 'वेवगाइड क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स' नामक एक क्षेत्र की नींव है, जहाँ वैज्ञानिक अध्ययन करते हैं कि प्रकाश के व्यक्तिगत कणों, जिन्हें फोटॉन कहा जाता है, का व्यवहार कैसा होता है जब उन्हें एक संकीकर, एक-आयामी पथ पर चलने के लिए मजबूर किया जाता है, ठीक वैसे ही जैसे एक एकल ट्रैक पर ट्रेन चलती है। इस सीमित स्थान में, खेल के नियम बदल जाते हैं। इस पथ में रखा गया एक एकल परमाणु एक दर्पण, एक फिल्टर या एक स्विच के रूप में कार्य कर सकता है, जो अपनी आंतरिक ऊर्जा संरचना के आधार पर प्रकाश को परावर्तित या अवशोषित करता है। जबकि प्राकृतिक परमाणुओं के ऊर्जा स्तर जटिल और कठोर होते हैं, इंजीनियरों ने सुपरकंडक्टिंग सर्किटों का उपयोग करके "कृत्रिम परमाणु" बनाए हैं। ये मानव निर्मित संरचनाएं प्राकृतिक परमाणुओं के व्यवहार की नकल करती हैं लेकिन एक अनूठा लाभ प्रदान करती हैं: उनके ऊर्जा स्तरों को सटीकता के साथ ट्यून और समायोजित किया जा सकता है। इन कृत्रिम परमाणुओं के सबसे लोकप्रिय प्रकारों में से एक 'ट्रांसमोन' (transmon) है, जिसमें आमतौर पर तीन अलग-अलग ऊर्जा चरण होते हैं। यह समझना कि ये तीन-चरणीय प्रणालियाँ प्रकाश के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती हैं, भविष्य के क्वांटम कंप्यूटर और संचार नेटवर्क बनाने के लिए महत्वपूर्ण है, फिर भी उस तीसरे, अक्सर अनदेखे किए जाने वाले ऊर्जा चरण का सूक्ष्म प्रभाव एक रहस्य बना हुआ है।
शोधकर्ताओं ने इस पहेली को सुलझाने के लिए एक विशिष्ट, मौलिक परिदृश्य का अनुकरण (simulate) करने का लक्ष्य रखा: एक उत्तेजित कृत्रिम परमाणु से टकराता हुआ प्रकाश का एक एकल पल्स। एक सरल, दो-चरणीय प्रणाली में, यह अंतःक्रिया आमतौर पर 'उत्तेजित उत्सर्जन' (stimulated emission) नामक प्रक्रिया को जन्म देगी, जहाँ आने वाला प्रकाश परमाणु को बिल्कुल उसी दिशा में दूसरा फोटॉन छोड़ने के लिए प्रोत्साहित करता है, जो प्रभावी रूप से प्रकाश पल्स की क्लोनिंग करता है। हालाँकि, टीम यह देखना चाहती थी कि क्या होता है जब परमाणु में तीसरा ऊर्जा स्तर होता है, जो ट्रांसमोन में एक सामान्य विशेषता है लेकिन अक्सर सैद्धांतिक मॉडलों में इसे अनदेखा कर दिया जाता है। वास्तविक स्थान (real space) में प्रकाश और परमाणु की स्थिति को ट्रैक करने वाले एक गणितीय दृष्टिकोण का उपयोग करके, उन्होंने गणना की कि यह प्रणाली समय के साथ सटीक रूप से कैसे विकसित होगी। उन्होंने प्रकाश के एक पल्स पर ध्यान केंद्रित किया जो एक घातांकीय वक्र (exponential curve) के आकार का था, एक ऐसा रूप जो स्वाभाविक रूप से तब उत्पन्न होता है जब परमाणु ऊर्जा छोड़ते हैं, और देखा कि वह उत्तेजित कृत्रिम परमाणु से कैसे बिखरता (scatter) है।
परिणामों ने एक आश्चर्यजनक और महत्वपूर्ण मोड़ प्रकट किया। जब शोधकर्ताओं ने वास्तविक दुनिया के ट्रांसमोन में पाए जाने वाले विशिष्ट, निम्न-ऊर्जा अंतराल के साथ कृत्रिम परमाणु का मॉडल तैयार किया, तो उन्होंने पाया कि तीसरा ऊर्जा स्तर उत्तेजित उत्सर्जन प्रक्रिया पर एक ब्रेक की तरह कार्य करता है। जैसा कि अपेक्षित था, प्रकाश पल्स के प्रवर्धित (amplify) होने और क्लोन होने के बजाय, तीसरे स्तर की उपस्थिति ने इस प्रभाव को काफी हद तक दबा दिया। उनके सिमुलेशन में, एक ही दिशा में एक साथ चलने वाले दो फोटॉन पाए जाने की संभावना एक सरल दो-स्तरीय प्रणाली की तुलना में काफी कम हो गई। टीम ने निर्धारित किया कि इस दमन (suppression) के लिए, ऊर्जा स्तरों के बीच का अंतराल बहुत छोटा होना चाहिए, विशेष रूप से चार प्रतिशत से कम का अंतर। यह निष्कर्ष बताता है कि आज उपयोग किए जाने वाले सबसे सामान्य प्रकार के कृत्रिम परमाणुओं के लिए, तीसरा स्तर केवल एक निष्क्रिय दर्शक नहीं है; यह सक्रिय रूप से नए प्रकाश के निर्माण में हस्तक्षेप करता है, जो कुशल प्रकाश प्रवर्धन पर निर्भर अनुप्रयोगों को बाधित कर सकता है।
फिर भी, कहानी दमन पर समाप्त नहीं होती है। अध्ययन ने एक अलग प्रकार के व्यवहार को उजागर किया जो इस जटिल अंतःक्रिया से उभरा: फोटॉन एक 'बंचिंग' (bunching) नामक घटना के माध्यम से एक साथ समूहबद्ध होने लगे। जब प्रकाश परमाणु से वापस परावर्तित हुआ, तो दो फोटॉन के एक-दूसरे के करीब पाए जाने की संभावना अधिक थी, बजाय इसके कि वे बिखरे हुए हों। यह क्लस्टरिंग प्रभाव तीन-स्तरीय संरचना का सीधा परिणाम था और इसे सरल दो-स्तरीय मॉडलों में नहीं देखा गया था। सबसे दिलचस्प बात यह है कि शोधकर्ताओं ने पाया कि यह व्यवहार स्थिर नहीं था। आने वाले प्रकाश पल्स की विशेषताओं, जैसे कि उसकी आवृत्ति (frequency) या उसकी अवधि को बदलकर, वे प्रभावी रूप से बंचिंग प्रभाव को "बंद" कर सकते थे। इसका अर्थ है कि परावर्तित प्रकाश का क्वांटम व्यवहार परमाणु का एक स्थायी गुण नहीं है, बल्कि इसे उस तरीके से नियंत्रित किया जा सकता है जिस तरह से प्रकाश पहुँचाया जाता है।
ये निष्कर्ष इस धारणा को चुनौती देते हैं कि क्वांटम उपकरणों को डिजाइन करते समय कृत्रिम परमाणुओं को सरल दो-स्तरीय प्रणालियों के रूप में माना जा सकता है। अनुसंधान प्रदर्शित करता है कि ऊर्जा स्तरों में एक छोटा सा विचलन भी, जो आधुनिक प्रयोगशालाओं में उपयोग किए जाने वाले ट्रांसमोन में सामान्य है, यह नाटकीय रूप से बदल सकता है कि प्रकाश कैसे बिखरा हुआ है और फोटॉन एक-दूसरे के साथ कैसे सह-संबंधित (correlate) हैं। जो वैज्ञानिक क्वांटम सर्किटों में सूचना को रूट करने या संकेतों को प्रवर्धित करने का लक्ष्य रखते हैं, उनके लिए इसका तात्पर्य यह है कि तीसरे ऊर्जा स्तर को ध्यान में रखना आवश्यक है, क्योंकि यह वांछित सिग्नल को कम कर सकता है या प्रकाश के नए, नियंत्रणीय पैटर्न पेश कर सकता है। यह कार्य एक स्पष्ट क्वांटम मानचित्र प्रदान करता है, जो दिखाता है कि एक एकल फोटॉन का पथ उस परमाणु की छिपी हुई वास्तुकला से गहराई से प्रभावित होता है जिसका वह सामना करता है, और प्रकाश को ट्यून करके, हम आश्चर्यजनक सटीकता के साथ इन क्वांटम परिणामों को निर्देशित कर सकते हैं।
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