Photon Demultiplexing Using Spatial Routing

क्वांटम नेटवर्क एक ऐसे भविष्य का वादा करते हैं जहाँ सूचना को पूर्ण सुरक्षा के साथ साझा किया जा सकता है, जो प्रकाश के एक विचित्र गुण जिसे 'एंटैंगलमेंट' (entanglement) कहा जाता है, पर आधारित है। जब दो कण एंटैंगल्ड होते हैं, तो वे किसी भी दूरी पर जुड़े रहते हैं, जिससे एक को मापने से तुरंत दूसरे की स्थिति का पता चल जाता है। एक उपयोगी नेटवर्क बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को यह सक्षम होना चाहिए कि वे एक ही स्रोत से इन जुड़े हुए जोड़ों को एक साथ कई अलग-अलग उपयोगकर्ताओं तक भेज सकें। वर्तमान में, कई उपयोगकर्ताओं के लिए ऐसा करने का सबसे कुशल तरीका प्रकाश की किरण को अलग-अलग पथों में विभाजित करना है, जिसे 'स्पेशियल डिवीज़न' (spatial division) कहा जाता है। हालाँकि, अब तक, इंजीनियरों को यह अनुमान लगाना पड़ता था कि एक एकल स्रोत कितने उपयोगकर्ताओं को सहारा दे सकता है। उन्होंने कुछ उपयोगकर्ता जोड़ों के साथ प्रणालियाँ बनाई हैं, लेकिन कितने चैनल बनाए जा सकते थे और इस प्रक्रिया में कितना सिग्नल नष्ट होगा, इसकी मौलिक सीमाएँ एक रहस्य बनी हुई थीं। एक स्पष्ट नियम पुस्तिका के बिना, इन नेटवर्कों का विस्तार करना एक सटीक इंजीनियरिंग कार्य के बजाय परीक्षण और त्रुटि (trial-and-error) का अभ्यास बना हुआ था।

कतर सेंटर फॉर क्वांटम कंप्यूटिंग के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब वह लापता नियम पुस्तिका प्रदान कर दी है। उन्होंने एक व्यावहारिक ढांचा विकसित किया है जो यह सटीक रूप से भविष्यवाणी करता है कि एंटैंगल्ड प्रकाश के एक एकल स्रोत द्वारा कितने उपयोगकर्ता जोड़े सेवा दी जा सकती है, जो स्वयं प्रकाश के भौतिक गुणों पर आधारित है। प्रकाश की ज्यामिति का विश्लेषण करके, उन्होंने एक सरल संबंध निकाला जो सटीकता के एक निश्चित स्तर के लिए संभव अधिकतम चैनलों को निर्धारित करता है। अपने परीक्षणों में, उन्होंने बारह अलग-अलग उपयोगकर्ता जोड़ों को एक साथ सेवा देने में सक्षम एक प्रणाली का प्रदर्शन किया। उल्लेखनीय रूप से, इस प्रणाली ने 99.99 प्रतिशत से अधिक की रूटिंग निरंतरता बनाए रखी, जिसका अर्थ है कि सही साथी लगभग हमेशा मिल गए थे, जबकि कुल प्रकाश तीव्रता का केवल 12 प्रतिशत ही त्याग किया गया। यह कार्य बहु-उपयोगकर्ता क्वांटम नेटवर्कों के निर्माण को एक अनिश्चित हार्डवेयर चुनौती से एक पूर्वानुमानित डिजाइन प्रक्रिया में बदल देता है।

इस खोज का मूल तत्व यह है कि एंटैंगल्ड प्रकाश कैसे उत्पन्न होता है। जब एक विशिष्ट प्रकार के क्रिस्टल पर लेजर की बौछार की जाती है, तो वह व्यक्तिगत फोटॉन को जोड़ों में विभाजित कर देता है जो एक खोखले शंकु (hollow cone) में बाहर निकलते हैं, और सामने से देखने पर एक वलय (ring) का आकार बनाते हैं। भौतिकी का एक मौलिक नियम यह निर्देश देता है कि एक दिशा में प्रत्येक फोटॉन के लिए, उसका साथी रिंग के ठीक विपरीत दिशा में दिखाई देना चाहिए। यह एक प्राकृतिक मानचित्र बनाता है जहाँ प्रत्येक बिंदु का वृत्त के पार एक आदर्श साथी होता है। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि यदि वे इस रिंग को वेज-आकार (wedge-shaped) के खंडों में काट सकें, तो प्रत्येक खंड एक उपयोगकर्ता जोड़े के लिए एक समर्पित चैनल के रूप में कार्य कर सकता है। चुनौती यह निर्धारित करने में थी कि कितने खंड किए जा सकते हैं इससे पहले कि साथी आपस में मिलने लगें, या गलत चैनल में "क्रॉस ओवर" हो जाएं।

इसे हल करने के लिए, टीम ने लेजर बीम के कारण प्रकाश रिंग के सूक्ष्म धुंधलेपन पर ध्यान केंद्रित किया। हालाँकि साथी पूरी तरह से विपरीत होने चाहिए, लेजर की चौड़ाई उनकी स्थिति में थोड़ी अनिश्चितता पैदा करती है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि यह अनिश्चितता दो विशिष्ट मापों पर निर्भर करती है: लेजर बीम की चौड़ाई और प्रकाश रिंग की त्रिज्या। उन्होंने पाया कि ये दोनों संख्याएँ मिलकर एक एकल मान निर्धारित करती हैं जो संपूर्ण प्रणाली की क्षमता को नियंत्रित करती है। यदि यह मान बड़ा है, तो रिंग तीक्ष्ण और चौड़ी होती है, जिससे कई खंड संभव होते हैं। यदि यह छोटा है, तो रिंग धुंधली होती है, और कम खंड संभव होते हैं। इस अंतर्दृष्टि ने उन्हें एक ऐसा सूत्र बनाने की अनुमति दी जो इंजीनियरों को बताता है कि वे कितने चैनल बना सकते हैं इससे पहले कि त्रुटि दर बहुत अधिक हो जाए, जिससे अनुमान लगाने की आवश्यकता समाप्त हो गई।

टीम ने उन अपरिहार्य त्रुटियों को संभालने का एक चतुर तरीका भी खोजा जो तब होती हैं जब एक फोटॉन किसी स्लाइस (slice) के किनारे के पास पहुँचता है। पिछले प्रयासों में, इन किनारे वाले मामलों के कारण गलतियाँ हुईं जिन्होंने कनेक्शन को खराब कर दिया। शोधकर्ताओं ने प्रत्येक स्लाइस के बीच एक छोटा, खाली अंतराल, एक "गार्ड बैंड" (guard band) छोड़ने का प्रस्ताव दिया, जहाँ गिरने वाला कोई भी फोटॉन बस हटा दिया जाएगा। इन अंतरालों के लिए थोड़े से प्रकाश का त्याग करके, उन्होंने पाया कि त्रुटि दर नाटकीय रूप से गिर गई। अपने विशिष्ट सेटअप में, प्रत्येक स्लाइस के चारों ओर 5 प्रतिशत का गैप उपयोग करके, वे 99.99 प्रतिशत से बेहतर सफलता दर प्राप्त करने में सफल रहे। यह ट्रेड-ऑफ अत्यधिक कुशल साबित हुआ, क्योंकि खोए हुए प्रकाश की लागत रैखिक और छोटी थी, जबकि सटीकता में लाभ घातांकीय (exponential) था। यह विधि जो कभी एक हार्डवेयर सीमा थी, उसे एक ट्यूनेबल डिज़ाइन पैरामीटर में बदल देती है।

अध्ययन ने केवल चैनलों की गिनती करने से परे, यह भी प्रकट किया कि प्रकाश को विभाजित करने से प्रत्येक उपयोगकर्ता के लिए कनेक्शन की गुणवत्ता में सुधार होता है। क्वांटम संचार में, "आकस्मिक" मिलान एक प्रमुख समस्या है, जहाँ दो असंबंधित फोटॉन संयोग से एक ही समय में आते हैं और उन्हें एक जोड़ा समझ लिया जाता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि रिंग को कई खंडों में विभाजित करने से, ये आकस्मिक मिलान एक एकल चैनल के भीतर होने की संभावना बहुत कम हो जाती है। जैसे-जैसे उपयोगकर्ताओं की संख्या बढ़ती है, प्रत्येक उपयोगकर्ता के लिए सिग्नल मजबूत रहता है जबकि बैकग्राउंड शोर कम हो जाता है। इसका अर्थ यह है कि जैसे-जैसे नेटवर्क बड़ा होता है, सिस्टम द्वारा उत्पन्न सुरक्षित सूचना की कुल मात्रा स्थिर रहने या खराब होने के बजाय वास्तव में बढ़ती है।

निष्कर्षों ने यह भी स्पष्ट किया कि इस प्रणाली के लिए क्या महत्वपूर्ण नहीं है। शोधकर्ताओं ने सिद्ध किया कि प्रकाश बनाने के लिए उपयोग किए जाने वाले क्रिस्टल की लंबाई संभव चैनलों की संख्या को प्रभावित नहीं करती है; यह केवल प्रकाश की चमक को बदलती है। इसी तरह, प्रकाश का विशिष्ट रंग क्षमता को नहीं बदलता है, बशर्ते सिस्टम को सही ढंग से सेट किया गया हो। यह स्वतंत्रता इंजीनियरों को अपने स्रोत की चमक को वांछित उपयोगकर्ताओं की संख्या से अलग रूप से अनुकूलित करने की अनुमति देती है। संपूर्ण डिजाइन समस्या लेजर की चौड़ाई और रिंग के आकार से प्राप्त उस एकल आयामहीन पैरामीटर (dimensionless parameter) को प्रबंधित करने में सिमट जाती है।

यह कार्य बड़े पैमाने के क्वांटम नेटवर्क बनाने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है। भौतिक गुणों और समर्थित उपयोगकर्ताओं की संख्या के बीच सीधा संबंध स्थापित करके, शोधकर्ताओं ने इस क्षेत्र को प्रायोगिक प्रदर्शनों से इंजीनियरिंग मानकों की ओर अग्रसर किया है। उन्होंने दिखाया कि एक एकल स्रोत विश्वसनीय रूप से एक दर्जन उपयोगकर्ता जोड़ों को लगभग पूर्ण सटीकता के साथ सेवा दे सकता है, जो कि पहले अनक्वांटिफाइड (unquantified) था। उनके द्वारा विकसित ढांचे से चैनल क्षमता की सटीक गणना, गार्ड बैंड के माध्यम से त्रुटि दर का अनुकूलन, और यह आश्वासन मिलता है कि स्केल होने पर भी सिस्टम निष्पक्ष और कुशल बना रहेगा। यह दृष्टिकोण भविष्य के क्वांटम संचार के लिए एक ब्लूप्रिंट प्रदान करता है, जहाँ एक एकल स्रोत जटिल, सक्रिय स्विचिंग हार्डवेयर की आवश्यकता के बिना, उपयोगकर्ताओं के एक शहर को सुरक्षित रूप से जोड़ सकता है।