Dissipation-selected photon-phonon pair and photon-bundle emission in a tripartite Mollow system

अगली पीढ़ी की क्वांटम प्रौद्योगिकियों के निर्माण के प्रयास में, वैज्ञानिकों ने लंबे समय से ऊर्जा हानि, या अपव्यय (dissipation), को एक दुश्मन के रूप में माना है। क्वांटम यांत्रिकी की नाजुक दुनिया में, जहाँ कण अवस्थाओं के नाजुक सुपरपोजिशन (superpositions) में मौजूद होते हैं, बाहरी वातावरण के साथ कोई भी संपर्क सूचना को बिखेरने और उन गुणों को नष्ट करने की प्रवृत्ति रखता है जो क्वांटम प्रणालियों को उपयोगी बनाते हैं। दशकों तक, लक्ष्य इन प्रणालियों को पूरी तरह से अलग रखना था, उन्हें ब्रह्मांड के शोर से बचाकर उनके विशेष गुणों को सुरक्षित रखना था। हालाँकि, प्रकाश और पदार्थ के अध्ययन से एक नया दृष्टिकोण उभर रहा है। शोधकर्ता यह महसूस करने लगे हैं कि हानि केवल एक बाधा नहीं है जिससे बचा जाना चाहिए, बल्कि एक ऐसा उपकरण है जिसे नियंत्रित किया जा सकता है। यह सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके कि कोई प्रणाली ऊर्जा कैसे लीक करती है, यह संभव हो सकता है कि क्वांटम उपकरण के आउटपुट को निर्देशित किया जाए, और यह तय किया जाए कि किस प्रकार का कण या अवस्था बाहर छोड़ी जाए। यह सोच केवल क्षय (decay) को रोकने के प्रयास से आगे बढ़कर यह पूछती है कि क्या क्षय के तरीके का उपयोग विशिष्ट क्वांटम संसाधनों को चुनने के लिए किया जा सकता है, जिससे एक संभावित कमजोरी को नियंत्रण के तंत्र में बदला जा सके।

इस विचार का परीक्षण हाल ही में एक अध्ययन में किया गया जिसमें एक ऐसी प्रणाली शामिल थी जहाँ एक एकल परमाणु को फँसाया (trapped) गया है और एक शक्तिशाली लेजर द्वारा संचालित किया जा रहा है, जबकि वह एक कैविटी में फंसे प्रकाश और परमाणु की अपनी गति के साथ परस्पर क्रिया कर रहा है। शोधकर्ताओं ने एक ऐसी स्थिति बनाई जहाँ परमाणु, प्रकाश और गति आपस में मजबूती से जुड़े हुए थे, जिससे एक त्रि-पक्षीय (tripartite) प्रणाली बनी। सामान्य परिस्थितियों में, जब ऐसी प्रणाली को जोर से संचालित किया जाता है, तो यह एक ऐसे क्षेत्र में प्रवेश करती है जहाँ परमाणु के ऊर्जा स्तर विभाजित और पुनर्गठित होते हैं, जिससे एक जटिल संरचना बनती है जो प्रकाश कणों और गति कणों के जोड़ों के समवर्ती निर्माण की अनुमति देती है। टीम यह जानना चाहती थी कि क्या ऊर्जा हानि के इन दो चैनलों—कैविटी से बाहर निकलने वाले प्रकाश और गति के धीमे होने (damping)—की समरूपता (symmetry) यह निर्धारित कर सकती है कि वास्तव में क्या बाहर निकलता है। उन्होंने पाया कि उत्तर स्पष्ट रूप से 'हाँ' है। केवल प्रकाश के बाहर निकलने की दर और गति के धीमे होने की दर के बीच के संतुलन को समायोजित करके, वे सिस्टम के आउटपुट को एक प्रकार की क्वांटक अवस्था से पूरी तरह से अलग अवस्था में बदल सकते थे, और वह भी बिना लेजर या परमाणु को बदले।

शोधकर्ताओं ने एक सेटअप का अनुकरण (simulate) किया जहाँ एक द्वि-स्तरीय परमाणु, जो एल्केलाइन-अर्थ मेटल परमाणु का एक सरल रूप है, एक ट्रैप में सीमित था और एक उच्च-गुणवत्ता वाली ऑप्टिकल कैविटी से जुड़ा हुआ था। उन्होंने इस प्रणाली को एक शक्तिशाली लेजर क्षेत्र के साथ संचालित किया, जिसके कारण परमाणु दोलन करने लगा और प्रकाश तथा अपनी गति के साथ परस्पर क्रिया करने लगा। इस वातावरण में, प्रणाली स्वाभाविक रूप से फोटॉन (प्रकाश के कण) और फोनोन (गति या कंपन के कण) के सह-संबंधित जोड़े उत्पन्न करने की ओर प्रवृत्त होती है। जब शोधकर्ताओं ने सिस्टम को इस तरह सेट किया कि प्रकाश और गति समान दर से बाहर निकलें, तो प्रणाली एक सममित (symmetric) सेटअप के लिए अपेक्षित व्यवहार करती है। इसने इन प्रकाश और गति कणों को मजबूती से जुड़े जोड़ों के रूप में उत्सर्जित किया। ये जोड़े एकल इकाइयाँ या कई इकाइयों के समूह हो सकते थे, लेकिन वे हमेशा एक मजबूत संबंध बनाए रखते थे, जिससे प्रकाश और गति बाहर निकलते समय तालमेल में रहे। इसने पुष्टि की कि जब हानि चैनल संतुलित होते हैं, तो प्रणाली उत्तेजनाओं (excitations) की हाइब्रिड प्रकृति को बनाए रखती है।

हालाँकि, कहानी तब नाटकीय रूप से बदल गई जब शोधकर्ताओं ने इस समरूपता को तोड़ दिया। उन्होंने एक ऐसी स्थिति का अनुकरण किया जहाँ प्रकाश कैविटी से गति के धीमे होने की तुलना में बहुत तेजी से बाहर निकला। इस असममित (asymmetric) शासन में, प्रणाली का व्यवहार मौलिक रूप से बदल गया। क्योंकि प्रकाश बहुत तेजी से बाहर निकल गया, उसके पास गति के साथ तालमेल बिठाने का समय नहीं था। जुड़े हुए जोड़े उत्सर्जित करने के बजाय, प्रणाली प्रकाश कणों को अलग-अलग, शुद्ध बंडलों के रूप में छोड़ने लगी, जबकि गति के कण अंदर ही फंसे रहे और उच्च ऊर्जा अवस्थाओं में जमा होने लगे। शोधकर्ताओं ने देखा कि जैसे-जैसे उन्होंने प्रकाश हानि और गति हानि के अनुपात को बढ़ाया, वे आउटपुट को सह-संबंधित जोड़ों से उच्च-शुद्धता वाले एकल फोटॉन या दो फोटॉन के समूहों में बदलने में सक्षम रहे। गति, जो उसी गति से बाहर निकलने में असमर्थ थी, एक भंडारण टैंक (storage tank) के रूप में कार्य करती रही, जिसने ऊर्जा को थामे रखा जबकि प्रकाश को तेजी से फ़िल्टर करके बाहर निकाला गया। इसने प्रदर्शित किया कि ह्रास (dissipation) की समरूपता एक स्विच के रूप में कार्य करती है, जो यह चुनती है कि प्रणाली एक हाइब्रिड मिश्रण उत्सर्जित करेगी या शुद्ध प्रकाश का प्रवाह।

यह समझने के लिए कि यह चयन कैसे हुआ, टीम ने उत्सर्जन के समय और सांख्यिकी का अध्ययन किया। उन्होंने समय के साथ कणों के आगमन को मापा और पाया कि सममित मामले में, प्रकाश और गति एक सह-संबंधित समूहों में एक साथ आए। असममित मामले में, प्रकाश अलग-अलग विस्फोटों (bursts) में आया, जिससे पता चला कि सिस्टम शुद्ध प्रकाश बंडलों को उत्सर्जित करने के लिए बदल गया था। उन्होंने गणितीय उपकरणों का उपयोग करके सिस्टम की आंतरिक स्थिति का भी परीक्षण किया जो विशिष्ट अवस्थाओं में कणों के पाए जाने की संभावना को दर्शाते हैं। इन मानचित्रों ने दिखाया कि सममित मामले में, प्रणाली प्रकाश और गति के बीच एक गैर-शास्त्रीय (non-classical) संबंध बनाए रखती है। असममित मामले में, यह संबंध प्रकाश के लिए टूट गया, जो एक शुद्ध क्वांटम अवस्था बन गया, जबकि गति एक जटिल, संग्रहीत अवस्था में बनी रही। यह संक्रमण सुचारू और नियंत्रणीय था, जिससे शोधकर्ता केवल हानि दरों को बदलकर एक शासन से दूसरे शासन में जाने के लिए डायल कर सकते थे।

यह अध्ययन खुले क्वांटम प्रणालियों में श्रम के स्पष्ट विभाजन को रेखांकित करता है। सुसंगत अंतःक्रियाएं (coherent interactions), जो लेजर द्वारा संचालित होती हैं, जटिल क्वांटम संसाधनों, जैसे कि प्रकाश और गति के उलझे हुए (entangled) जोड़ों के लिए क्षमता बनाती हैं। लेकिन अपव्यय (dissipation), यानी जिस तरह से प्रणाली अपनी ऊर्जा खोती है, यह तय करता है कि वे संसाधन वास्तव में बाहरी दुनिया तक कैसे पहुँचाए जाते हैं। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि अपव्यय को ट्यून करके, वे सिस्टम को हाइब्रिड अवस्थाओं या शुद्ध फोटोनिक अवस्थाओं को उत्सर्जित करने के लिए निर्देशित कर सकते हैं। यह खोज सुझाव देती है कि अपव्यय केवल त्रुटि का स्रोत नहीं है, बल्कि एक प्रोग्राम करने योग्य संसाधन है। यह ऐसे क्वांटम उत्सर्जकों को डिजाइन करने का मार्ग प्रशस्त करता है जिन्हें अलग-अलग प्रकार के गैर-शास्त्रीय प्रकाश का उत्पादन करने के लिए तुरंत बदला जा सके, और यह सब केवल वातावरण की ऊर्जा अवशोषित करने की क्षमता को समायोजित करके किया जा सकता है। यह दृष्टिकोण उन क्वांटम नेटवर्क और सेंसर विकसित करने के लिए महत्वपूर्ण हो सकता है जिन्हें विशिष्ट प्रकार की क्वांटम अवस्थाओं की आवश्यकता होती है, जो ऊर्जा के नुकसान के सावधानीपूर्वक प्रबंधन के माध्यम से क्वांटम व्यवहार को इंजीनियर करने का एक नया तरीका प्रदान करता है।