Preservation of photon statistics upon selective molecular modulation in hollow-core fibers

क्वांटम तकनीक की उभरती दुनिया में, वैज्ञानिक ऐसी मशीनें बना रहे हैं जो उप-परमाणु दुनिया के विचित्र नियमों का उपयोग करके समस्याओं को हल करने, संचार को सुरक्षित करने और अभूतपूर्व सटीकता के साथ वातावरण को महसूस करने के लिए करती हैं। ये मशीनें अक्सर प्रकाश पर निर्भर करती हैं, विशेष रूप से प्रकाश के व्यक्तिगत कणों पर जिन्हें फोटॉन कहा जाता है, ताकि वे सूचना ले जा सकें। हालाँकि, जिस तरह 1950 के दशक का एक रेडियो स्टेशन बिना किसी अनुवादक के आधुनिक स्मार्टफोन से आसानी से बात नहीं कर सकता, उसी तरह विभिन्न क्वांटम उपकरण प्रकाश की अलग-अलग "भाषाएँ" बोल सकते हैं। कुछ उपकरण दृश्य प्रकाश (visible light) के साथ सबसे अच्छा काम करते हैं, जैसे कि वे रंग जिन्हें हमारी आँखें देख सकती हैं, जबकि अन्यों को निकट-अवरक्त (near-infrared) प्रकाश की आवश्यकता होती है, जो हमारे लिए अदृश्य है लेकिन फाइबर-ऑप्टिक केबलों के माध्यम से लंबी दूरी की यात्रा के लिए आदर्श है। इन विभिन्न क्वांटम उपकरणों का एक वास्तविक नेटवर्क बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को फोटॉन के रंग, या आवृत्ति (frequency) को बदले बिना बदलने का एक तरीका चाहिए, जिसमें वह नाजुक जानकारी नष्ट न हो जिसे वह ले जा रहा है। इस प्रक्रिया को फ्रीक्वेंसी ट्रांसडक्शन (frequency transduction) कहा जाता है। चुनौती केवल रंग बदलने की नहीं है, बल्कि इसे पूरी सटीकता के साथ करने की है, यह सुनिश्चित करते हुए कि प्रकाश के सांख्यिकीय पैटर्न—कि फोटॉन कैसे समूहबद्ध और वितरित होते हैं—परिवर्तन के बाद भी बिल्कुल समान रहें। यदि ये पैटर्न बदल जाते हैं, तो क्वांटम जानकारी खो जाती है, और कनेक्शन विफल हो जाता है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस नाजुक रंग परिवर्तन को उच्च सटीकता के साथ करने का एक तरीका प्रदर्शित किया है, जो प्रकाश की आवश्यक सांख्यिकीय प्रकृति को बनाए रखता है। उन्होंने इसे एक विशेष खोखले-कोर फाइबर (hollow-core fiber) का उपयोग करके हासिल किया, जो एक नली है जिसके बीच में एक छोटा खाली स्थान है और जिसे हाइड्रोजन गैस से भरा गया है। इस नली के भीतर, उन्होंने हाइड्रोजन अणुओं को एक समन्वित कंपन (synchronized vibration) में सेट करने के लिए लेजर प्रकाश के एक शक्तिशाली पल्स का उपयोग किया, जिससे एक जिसे 'कोहेरेंस वेव' (coherence wave) कहा जाता है, उत्पन्न हुई। इस कोहेरेंस वेव को गैस के माध्यम से यात्रा करने वाले एक लयबद्ध पल्स के रूप में सोचें, जो अन्य प्रकाश के साथ परस्पर क्रिया करने के लिए तैयार है। जब प्रकाश का एक कमजोर संकेत, जो क्वांटम जानकारी ले जा रहा है, इस नली में प्रवेश करता है, तो वह इस लयबद्ध पल्स के साथ परस्पर क्रिया करता है। सिस्टम को कैसे ट्यून किया गया है, इसके आधार पर, संकेत ऊर्जा प्राप्त कर सकता है और नीले रंग की ओर शिफ्ट हो सकता है, या ऊर्जा खो सकता है और लाल रंग की ओर शिफ्ट हो सकता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह प्रक्रिया प्रकाश को 585 नैनोमीटर के पीले-हरे शेड से 773 नैनोमीटर के निकट-अवरक्त शेड में, या 471 नैनोमीटर के नीले शेड में बदलने में सक्षम थी। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने सिद्ध किया कि यात्रा के दौरान प्रकाश के फोटॉन का पैटर्न बरकरार रहा, जिसका अर्थ है कि क्वांटम जानकारी सुरक्षित रही।

यह प्रयोग एक दो-चरणीय सेटअप पर निर्भर था ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि प्रक्रिया सही ढंग से काम करे। सबसे पहले, टीम ने एक हरे लेजर के साथ नाइट्रोजन गैस को फाइबर में पंप करके विशिष्ट सांख्यिकीय गुणों वाले पीले प्रकाश का स्रोत उत्पन्न किया। इसने प्रकाश के ऐसे पल्स की एक धारा बनाई जिसे फोटॉन वितरण के विभिन्न पैटर्न रखने के लिए समायोजित किया जा सकता था, जो अत्यधिक परिवर्तनशील से लेकर बहुत ही एकसमान तक हो सकते थे। इस प्रकाश को फिर दूसरे चरण में भेजा गया, जो हाइड्रोजन से भरा खोखला-कोर फाइबर था। यहाँ, एक अलग पंप लेजर ने समन्वित आणविक कंपनों को उत्पन्न किया। शोधकर्ताओं ने हाइड्रोजन गैस के दबाव को एक 'ट्यूनिंग नॉब' के रूप में उपयोग करने के लिए सावधानीपूर्वक समायोजित किया। दबाव को लगभग 16.7 बार पर सेट करके, उन्होंने प्रकाश को निकट-अवरक्त की ओर आवृत्ति बढ़ाने में सक्षम बनाया। दबाव को बढ़ाकर लगभग 28.1 बार करने पर, उन्होंने प्रकाश को नीले स्पेक्ट्रम की ओर कम करने में सक्षम बनाया। इस दबाव नियंत्रण ने उन्हें यह चुनने की अनुमति दी कि कौन सा रंग परिवर्तन होगा, जिससे अवांछित बदलावों को रोका जा सका और यह सुनिश्चित हुआ कि केवल वांछित रंग परिवर्तन ही हो।

परिणाम उनकी दक्षता और शुद्धता में प्रभावशाली थे। प्रकाश को निकट-अवरक्त में परिवर्तित करते समय, सिस्टम ने लगभग 70 प्रतिशत फोटॉन बनाए रखे, और नीले रंग में परिवर्तित करते समय, इसने लगभग 90 प्रतिशत फोटॉन बनाए रखे। इस तरह की नाजुक प्रक्रिया के लिए ये उच्च रूपांतरण दरें हैं। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि टीम ने रूपांतरण से पहले और बाद में प्रकाश के सांख्यिकीय गुणों को मापा। उन्होंने पाया कि फोटॉन का वितरण, जो यह बताता है कि प्रकाश कैसे संरचित है, लगभग पूर्ण सटीकता के साथ संरक्षित था। फाइबर में प्रवेश करने वाले प्रकाश के पैटर्न फाइबर से निकलने वाले प्रकाश के पैटर्न से मेल खाते थे, चाहे प्रकाश को लंबी या छोटी तरंग दैर्ध्य (wavelength) की ओर शिफ्ट किया गया हो। यह पुष्टि करता है कि आणविक मॉड्यूलेशन प्रक्रिया एक निष्ठावान अनुवादक के रूप में कार्य करती है, जो प्रकाश की आवृत्ति को बदले बिना उसमें निहित जानकारी को अस्त-व्यस्त किए बिना बदल देती है।

यह कार्य विभिन्न प्रकार के क्वांटम उपकरणों को जोड़ने के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है। चूंकि यह प्रक्रिया फाइबर-ऑप्टिक केबल का उपयोग करती है, इसलिए यह मौजूदा दूरसंचार बुनियादी ढांचे के साथ संगत है, जिससे भविष्य के नेटवर्क में इसे एकीकृत करना आसान हो जाता है। कम ऊर्जा वाले लेजर और मध्यम गैस दबाव का उपयोग करके दृश्य और निकट-अवरक्त क्षेत्रों के बीच प्रकाश को स्थानांतरित करने की क्षमता यह सुझाव देती है कि इस तकनीक को कॉम्पैक्ट सिस्टम के लिए छोटा किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि वे दृश्य-प्रकाश उत्सर्जकों (जैसे कि सेंसर में उपयोग किए जाने वाले) और निकट-अवरक्त क्वांटम मेमोरीज़ के बीच के अंतर को पाट सकते हैं, जो सूचना संग्रहीत करने के लिए आवश्यक हैं। प्रकाश की सांख्यिकीय अखंडता को बनाए रखकर, इस अध्ययन ने स्थापित किया है कि खोखले-कोर फाइबर में आणविक मॉड्यूलेशन भविष्य के हाइब्रिड क्वांटम नेटवर्क बनाने के लिए एक व्यवहार्य और बहुमुखी उपकरण है।