Quantum-enhanced phase interrogation of a fiber-optic strain sensor
यह शोध पत्र एक ऑल-फाइबर फैब्री-पेरोट रेज़ोनेटर और N=2 NOON अवस्थाओं का उपयोग करके एक क्वांटम-उन्नत फाइबर-ऑप्टिक स्ट्रेन सेंसर को प्रदर्शित करता है, जो व्यावहारिक ऑप्टिकल पावर बाधाओं के तहत मानक क्वांटम सीमा से नीचे मापन शोर में कमी प्राप्त करता है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ सबसे सूक्ष्म माप भारी-भरकम, बेडौल मशीनों द्वारा नहीं, बल्कि मानव बाल से भी पतले कांच के धागों द्वारा लिए जाते हैं। ये फाइबर-ऑप्टिक सेंसर पहले से ही आधुनिक इंजीनियरिंग के कार्यबल हैं, जो चुपचाप पुलों के स्वास्थ्य, तेल पाइपलाइनों में दबाव और पृथ्वी की पपड़ी के सूक्ष्म बदलावों की निगरानी कर रहे हैं। ये एक कांच के धागे के माध्यम से प्रकाश भेजकर काम करते हैं; जब वह धागा खिंचता या संकुचित होता है, तो उसके भीतर का प्रकाश इस तरह बदल जाता है जो उस पर लगने वाले भौतिक बल को प्रकट करता है। हालाँकि, इन सेंसरों की सटीकता की एक मौलिक बाधा है। प्रकाश फोटॉन नामक छोटे, पृथक पैकेटों से बना होता है, और एक स्थिर किरण में भी, ये पैकेट स्वाभाविक रूप से एक अस्थिर यादृच्छिकता (jittery randomness) के साथ आते हैं। यह अस्थिरता एक पृष्ठभूमि धुंधलापन पैदा करती है, स्पष्टता की एक ऐसी सीमा जिसे कोई भी शास्त्रीय इंजीनियरिंग केवल सुचारू नहीं बना सकती। दशकों से, वैज्ञानिक जानते थे कि इस सीमा से परे देखने के लिए, उन्हें प्रकाश की प्रकृति को ही बदलना होगा, और एक विचित्र क्वांटम गुण का उपयोग करना होगा जहाँ कण इस तरह आपस में जुड़े होते हैं जो रोजमर्रा के तर्क को चुनौती देते हैं।
फ्रांस और इटली के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब उस बाधा को तोड़ने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। उन्होंने एक ऐसा सेंसर बनाया जो साधारण प्रकाश और प्रकाश के एक विशेष, जुड़े हुए रूप दोनों का उपयोग करके काम कर सकता है, और उन्होंने सिद्ध किया कि जब प्रकाश की मात्रा कम रखी जाती है, तो जुड़ा हुआ संस्करण अधिक सटीकता के साथ खिंचाव (strain) को देख सकता है। उनका उपकरण एक फाइबर-ऑप्टिक केबल के भीतर बने एक सूक्ष्म कैविटी (cavity) पर केंद्रित है, जो 130 मिलीमीटर की दूरी पर स्थित दो अत्यधिक परावर्तक दर्पणों द्वारा निर्मित है। यह कैविटी एक रेज़ोनेटर (resonator) की तरह कार्य करती है, एक ऐसा कक्ष जहाँ प्रकाश बार-बार टकराकर वापस आता है। शोधकर्ताओं ने इस कैविटी की विशिष्ट आवृत्ति (frequency) पर लॉक होने के लिए एक बहुत ही स्थिर लेजर का उपयोग किया। जब फाइबर थोड़ा सा भी खिंचता है, तो कैविटी का आकार बदल जाता है, और लेजर को लॉक रहने के लिए अपनी आवृत्ति को समायोजित करना पड़ता है। यह देखते हुए कि लेजर को कितना समायोजन करना पड़ता है, टीम फाइबर पर पड़ने वाले खिंचाव को माप सकती है। इन सूक्ष्म परिवर्तनों को पढ़ने के लिए, उन्होंने प्रकाश को एक दूसरे उपकरण, एक अनबैलेंस्ड इंटरफेरोमीटर (unbalanced interferometer) के माध्यम से भेजा, जो प्रकाश को दो पथों में विभाजित करता है और चरण परिवर्तनों (phase shifts) को प्रकट करने के लिए उन्हें पुन: संयोजित करता है।
प्रयोग को एक ही भौतिक परिवर्तन को देखने के दो तरीकों की तुलना करने के लिए डिज़ाइन किया गया था। सबसे पहले, उन्होंने सीधे लेजर प्रकाश का उपयोग किया, जो स्वतंत्र कणों की एक मानक धारा की तरह व्यवहार करता है। उन्होंने इस धारा में शोर (noise) को मापा और पाया कि यह फोटॉनों की संख्या के लिए अपेक्षित यादृच्छिकता की सीमा से मेल खाता है। इसने पुष्टि की कि उनका सिस्टम सही ढंग से काम कर रहा था और पृष्ठभूमि का शोर वास्तव में शास्त्रीय प्रकाश की मौलिक सीमा थी। फिर, उन्होंने प्रकाश के एक अलग स्रोत का उपयोग किया जो उसी लेजर से उत्पन्न हुआ था लेकिन विशेष क्रिस्टल के माध्यम से गुजारा गया था ताकि क्वांटम रूप से जुड़े फोटॉन के जोड़े बनाए जा सकें। ये जोड़े एक एकल इकाई के रूप में कार्य करते हैं, एक ऐसी अवस्था जहाँ दो फोटॉन इतने गहराई से जुड़े होते हैं कि एक को मापने से तुरंत दूसरे के बारे में पता चल जाता है। जब शोधकर्ताओं ने उसी खिंचाव का परीक्षण करने के लिए इन जुड़े हुए जोड़ों का उपयोग किया, तो उनके माप में शोर साधारण प्रकाश की तुलना में काफी कम हो गया।
परिणामों ने दिखाया कि कम समय के लिए, जुड़े हुए फोटॉनों ने साधारण प्रकाश की तुलना में लगभग 1.5 के वर्गमूल (square root) के कारक से माप की अनिश्चितता को कम कर दिया, प्रभावी रूप से सेंसर की संवेदनशीलता को मानक क्वांटम सीमा से आगे बढ़ा दिया। यह सुधार तब सबसे स्पष्ट था जब शोधकर्ताओं ने फाइबर पर एक सूक्ष्म, लयबद्ध खिंचाव लगाया, जो लंबाई में एक अरब में से एक भाग के परिवर्तन के बराबर था, और देखा कि सिग्नल पृष्ठभूमि के शोर से कितनी स्पष्टता से उभर कर आता है। हालांकि लंबे समय के दौरान उपकरणों में तापमान के धीमे बदलावों के कारण यह लाभ कम हो गया, प्रयोग ने स्पष्ट प्रमाण दिया कि क्वांटम-जुड़ा प्रकाश कम फोटॉनों से अधिक जानकारी निकाल सकता है। यह एक महत्वपूर्ण अंतर है क्योंकि कई वास्तविक दुनिया के परिदृश्यों में, जैसे कि नाजुक जैविक ऊतकों की निगरानी करना या संवेदनशील सामग्रियों को नुकसान से बचाना, आप स्पष्ट तस्वीर पाने के लिए लेजर की शक्ति को बस बढ़ा नहीं सकते। कम प्रकाश के साथ अधिक स्पष्टता से देखने की क्षमता ही इस कार्य का मुख्य वादा है।
शोधकर्ताओं ने नोट किया कि उनका वर्तमान सेटअप अभी भी भारी उद्योग में उपयोग किए जाने वाले विशाल, उच्च-शक्ति वाले सेंसरों को बदलने के लिए तैयार नहीं है, लेकिन यह उन स्थितियों के लिए एक नया मार्ग खोलता है जहाँ शक्ति को कम रखना आवश्यक है। उनकी माप की सटीकता वर्तमान में फोटॉनों की गिनती करने के लिए उपयोग किए जाने वाले सुपरकंडक्टिंग डिटेक्टर्स के प्रदर्शन द्वारा सीमित है, जो आने वाले प्रकाश की दर बढ़ने पर कम कुशल हो जाते हैं। इस तकनीकी सीमा के बावजूद, यह प्रयोग एक व्यावहारिक प्रदर्शन है कि क्वांटम एंटैंगलमेंट (entanglement) केवल एक सैद्धांतिक जिज्ञासा नहीं है, बल्कि फाइबर-ऑप्टिक सेंसर की संवेदनशीलता बढ़ाने के लिए एक उपयोगी उपकरण है। यह सिद्ध करके कि जुड़े हुए फोटॉन स्वतंत्र फोटॉनों की तुलना में बेहतर प्रदर्शन कर सकते हैं, टीम ने उपकरणों की एक नई पीढ़ी की ओर एक व्यवहार्य मार्ग दिखाया है जो उच्च-तीव्रता वाले प्रकाश के साथ चिल्लाने की आवश्यकता के बिना भौतिक परिवर्तन की सबसे हल्की फुसफुसाहट को भी पकड़ सकते हैं।
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