A hybrid quantum interferometer bridging Hong-Ou-Mandel and N00N-state interference
यह शोध पत्र एक एकल हाइब्रिड क्वांटम इंटरफेरोमीटर प्रस्तुत करता है जो दो समय विलंबों (time delays) को समायोजित करके सुदृढ़ होंग-ओ-मैन्डल (Hong-Ou-Mandel) हस्तक्षेप और उच्च-संवेदनशीलता वाले N00N-स्टेट हस्तक्षेप के बीच गतिशील रूप से परिवर्तित होता है, जिससे विविध शोर स्थितियों के अनुकूल क्वांटम सेंसिंग के लिए एक बहुमुखी मंच प्राप्त होता है।
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आधुनिक मापन की दुनिया में, वैज्ञानिक अक्सर दो विपरीत गुणों के बीच एक कठिन विकल्प का सामना करते हैं: स्थिरता और सटीकता। कल्पना कीजिए कि आप एक ऐसे कमरे में सूक्ष्म परिवर्तन को मापने की कोशिश कर रहे हैं जो हिंसक रूप से हिल रहा है बनाम एक ऐसा कमरा जो पूरी तरह से स्थिर है। एक शोर वाले, अराजक वातावरण में, सबसे विश्वसनीय उपकरण वह है जो हिलने को पूरी तरह से अनदेखा कर दे, जिससे एक स्थिर रीडिंग मिले भले ही वह सबसे छोटे बदलावों का पता न लगा सके। हालांकि, एक शांत, नियंत्रित वातावरण में, शोधकर्ता ऐसे उपकरणों का उपयोग कर सकते हैं जो मामूली हलचल के प्रति अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील होते हैं, जो मानक उपकरणों की तुलना में कहीं अधिक सूक्ष्म परिवर्तनों का पता लगाने में सक्षम होते हैं। दशकों से, क्वांटम भौतिकविदों को इन दो दृष्टिकोणों में से किसी एक को चुनना पड़ता था। वे ऐसी मशीनें बना सकते थे जो शोर वाले वातावरण में काम करने के लिए पर्याप्त मजबूत थीं लेकिन उनमें अत्यधिक संवेदनशीलता की कमी थी, या वे ऐसे नाजुक उपकरण बना सकते थे जो अति-सटीकता प्रदान करते थे लेकिन यदि वातावरण बाधित होता तो पूरी तरह विफल हो जाते थे। इस सीमा का अर्थ था कि एक एकल उपकरण वास्तविक दुनिया की बदलती वास्तविकताओं के अनुकूल नहीं हो सकता था, जहाँ शोर का स्तर अप्रत्याशित रूप से घटता-बढ़ता रहता है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक एकल क्वांटम उपकरण बनाया है जो इस समस्या को हल करता है, जो इन दो पहले से अलग क्षमताओं को एक लचीली प्रणाली में विलय करके उन्हें एक में मिला देता है। हाल ही में प्रकाशित एक अध्ययन में, यह नया हाइब्रिड इंटरफेरोमीटर मशीन के भीतर प्रकाश स्पंदों (पल्स) के समय को समायोजित करके, एक मजबूत, शोर-प्रतिरोधी उपकरण से एक अति-संवेदनशील परिशुद्धता उपकरण में, या यहाँ तक कि दोनों के संयोजन के रूप में संचालित होने के बीच स्विच कर सकता है। शोधकर्ताओं ने यह उपलब्धि इस सेटअप को बनाकर हासिल की जहाँ दो अलग-अलग प्रकार के क्वांटम हस्तक्षेप (इंटरफेरेंस)—एक प्रकार जो चरण परिवर्तन (फेज शिफ्ट) को अनदेखा करता है और दूसरा जो उन्हें बढ़ाता है—सह-अस्तित्व में रह सकते हैं और नियंत्रित किए जा सकते हैं। प्रकाश के पथ में दो विशिष्ट समय विलंबों (टाइम डिले) को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, डिवाइस को उच्च-शोर वाली स्थितियों के लिए एक मजबूत सेंसर या कम-शोर वाले वातावरण के लिए एक सुपर-सेंसिटिव डिटेक्टर के रूप में कार्य करने के लिए बनाया जा सकता है, और यह सब एक ही भौतिक हार्डवेयर के भीतर संभव है।
इस उपलब्धि का मूल इस बात में निहित है कि शोधकर्ताओं ने प्रकाश के कणों के जोड़ों, जिन्हें फोटॉन कहा जाता है, को कैसे नियंत्रित किया, जो एक विशेष क्रिस्टल द्वारा उत्पन्न किए गए थे। जब ये फोटॉन बनाए जाते हैं, तो वे इस तरह से जुड़े होते हैं कि उनका व्यवहार इस बात पर निर्भर करता है कि वे दर्पणों और बीम स्प्लिटर के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। टीम ने एक ऐसा उपकरण डिजाइन किया जहाँ ये फोटॉन ऑप्टिकल घटकों की एक श्रृंखला के माध्यम से यात्रा करते हैं, जिसमें एक क्रिस्टल शामिल है जो लेजर प्रकाश को जोड़ों में विभाजित करता है, और दो समायोज्य विलंब प्रणालियाँ (डिले सिस्टम) हैं। ये विलंब प्रणालियाँ प्रकाश के लिए सटीक स्टॉपवॉच की तरह कार्य करती हैं, जिससे शोधकर्ता एक दूसरे के सापेक्ष फोटॉन की यात्रा के एक हिस्से को सेकंड के बहुत छोटे अंशों द्वारा विलंबित कर सकते हैं। पहला विलंब, जो एक मोटर चालित स्टेज द्वारा नियंत्रित होता है, और दूसरा विलंब, जो एक मोटर और एक पिएज़ोइलेक्ट्रिक एक्चुएटर द्वारा नियंत्रित होता है जो सूक्ष्म सटीकता के साथ चलता है, वे मशीन के व्यवहार को ट्यून करने वाले डायल के रूप में कार्य करते हैं।
जब शोधकर्ता पहले विलंब को शून्य पर सेट करते हैं, तो फोटॉन डिटेक्टरों पर पूरी तरह से सिंक्रोनाइज़ होकर पहुँचते हैं, जिससे N00N-स्टेट इंटरफेरेंस के रूप में जाना जाने वाला एक पैटर्न बनता है। यह पैटर्न तीव्र, उच्च-आवृत्ति वाले दोलनों (ऑसिलेशन) की विशेषता है जो पथ की लंबाई में परिवर्तनों के प्रति अत्यंत संवेदनशील होते हैं, जो भौतिकी द्वारा अनुमति दी गई सीमा के बिल्कुल करीब माप लेने की क्षमता प्रदान करते हैं। हालांकि, इस संवेदनशीलता की एक कीमत होती है: यदि वातावरण शोर वाला है, तो यह नाजुक पैटर्न धुंधला हो जाता है, और माप विफल हो जाता है। इसके विपरीत, जब शोधकर्ताओं ने दो पथों के बीच एक विशिष्ट विलंब पेश किया, तो उन्होंने एक अलग घटना को सक्रिय किया जिसे हॉंग-ओ-उ-मैन्डल (Hong-Ou-Mandel) इंटरफेरेंस कहा जाता है। इस मोड में, फोटॉन इस तरह से एक साथ आते हैं जो चरण शोर (फेज नॉइज़) के प्रति पूरी तरह से प्रतिरक्षित है, जो एक स्थिर, मजबूत सिग्नल प्रदान करता है जिसे पर्यावरणीय व्यवधानों की चिंता नहीं होती, हालांकि इसमें पहले मोड जैसी अत्यधिक संवेदनशीलता की कमी होती है।
इस अध्ययन की सफलता इस तथ्य के प्रदर्शन में निहित है कि ये दोनों मोड एक-दूसरे के पूरक नहीं हैं (यानी, वे एक साथ मौजूद हो सकते हैं)। विलंबों को समायोजित करके, टीम ने दिखाया कि डिवाइस सहजता से एक मोड से दूसरे मोड में संक्रमण कर सकता है, या एक हाइब्रिड अवस्था में स्थिर हो सकता है जहाँ दोनों व्यवहार एक साथ दिखाई देते हैं। अपने प्रयोगों में, उन्होंने पोटेशियम टाइटानिल फॉस्फेट से बने क्रिस्टल को पंप करने के लिए 775 नैनोमीटर तरंग दैर्ध्य वाले लेजर का उपयोग किया, जिससे फोटॉन के जोड़े उत्पन्न हुए जिन्हें फिर उनके कस्टम-निर्मित इंटरफेरोमीटर के माध्यम से भेजा गया। उन्होंने व्यक्तिगत कणों की गिनती करने में सक्षम सुपरकंडक्टिंग डिटेक्टरों का उपयोग करके इन फोटॉन के आगमन समय को मापा। परिणामों ने पुष्टि की कि पहले विलंब को शून्य पर सेट करके और दूसरे को स्कैन करके, उन्होंने N00N-स्टेट इंटरफेरेंस के तीव्र दोलनों को देखा। जब उन्होंने दूसरा विलंब एक गैर-शून्य मान, जैसे कि 2 पिकोसेकंड, पर सेट किया, तो तीव्र दोलन पृष्ठभूमि में बने रहे, लेकिन डेटा में स्पष्ट गिरावट (डिप्स) दिखाई दी, जो मजबूत हॉंग-ओ-उ-मैन्डल इंटरफेरेंस की उपस्थिति का संकेत देती है।
शोधकर्ताओं ने यह भी पता लगाया कि क्या होता है जब वे दूसरे विलंब को स्थिर रखते हैं और पहले को बदलते हैं। जब दूसरे विलंब को उस बिंदु पर सेट किया गया जहाँ N00N-स्टेट इंटरफेरेंस अपने शिखर पर था, तो सिस्टम चरण के प्रति अत्यधिक संवेदनशील था लेकिन इसमें मजबूत इंटरफेरेंस डिप्स का कोई संकेत नहीं मिला। हालाँकि, जब उन्होंने दूसरे विलंब को एक अलग मान पर समायोजित किया, तो सिस्टम पथ की जानकारी के प्रति संवेदनशील हो गया, और जैसे ही पहले विलंब को स्कैन किया गया, एक स्पष्ट डिप दिखाई दिया, जो शोर-प्रतिरोधी व्यवहार के उभरने का संकेत देता है। कुछ विन्यासों में, एकल डिप दो भागों में विभाजित हो गया, जिससे पता चला कि फोटॉन दो अलग-अलग, समय-पृथक पथों पर यात्रा कर रहे थे जिन्हें व्यक्तिगत रूप से हल किया जा सकता था। इन प्रयोगात्मक अवलोकनों ने कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ मेल खाया जो टीम ने पहले ही कर लिया था, जिसने भविष्यवाणी की थी कि विलंब को समायोजित करने पर संयोग गणना (कोइंसिडेंस काउंट्स) कैसे बदलेगी।
अध्ययन इस बात पर प्रकाश डालता है कि यह लचीलापन केवल एक सैद्धांतिक संभावना नहीं है बल्कि एक व्यावहारिक वास्तविकता है। टीम ने विजिबिलिटी (दृश्यता), जो इंटरफेरेंस पैटर्न की स्पष्टता का एक मीट्रिक है, को मापा और पाया कि जबकि कंपन जैसे पर्यावरणीय कारकों ने लंबे समय तक पूर्ण स्थिरता बनाए रखना कठिन बना दिया, मोड के बीच स्विच करने की मौलिक क्षमता निर्विवाद थी। पूर्ण इंटरफेरेंस बिंदुओं पर सटीक लॉक बनाए रखने में कुछ तकनीकी सीमाओं के बावजूद, डिवाइस ने क्वांटम इंटरफेरेंस के गतिशील नियंत्रण को सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया। इसका अर्थ है कि भविष्य में, एक एकल क्वांटम सेंसर को ऐसे परिवेश में तैनात किया जा सकता है जहाँ शोर का स्तर बदलता रहता है, जो अपनी स्थिति की आवश्यकता के आधार पर या तो शोर के प्रति मजबूत रहने या सूक्ष्म संकेतों का पता लगाने के लिए पर्याप्त संवेदनशील रहने के लिए अपने आंतरिक समय को स्वचालित रूप से समायोजित कर सकता है।
यह कार्य उन एकीकृत क्वांटम प्रौद्योगिकियों की ओर एक महत्वपूर्ण कदम है जो विविध और उतार-चढ़ाव वाले वातावरण में प्रभावी ढंग से काम कर सकती हैं। यह सिद्ध करके कि एक एकल उपकरण शोर-प्रतिरोधी और अति-संवेदनशील दोनों प्रकार की मापन तकनीकों की ताकत को समाहित कर सकता है, शोधकर्ताओं ने क्वांटम सेंसरों के लिए एक मार्ग खोल दिया है जो उनके परिवेश की स्थितियों से सीमित नहीं हैं। मशीन के व्यवहार को चलते-फिरते ट्यून करने की क्षमता यह सुझाव देती है कि भविष्य के क्वांटम उपकरण वास्तविक दुनिया के अनुकूल होने के लिए डिज़ाइन किए जा सकते हैं, बजाय इसके कि वास्तविक दुनिया को उपकरण के अनुरूप होने के लिए पूरी तरह से नियंत्रित किया जाए। निष्कर्ष पुष्टि करते हैं कि विभिन्न प्रकार के क्वांटम हस्तक्षेप के बीच जटिल परस्पर क्रिया का उपयोग बहुमुखी उपकरण बनाने के लिए किया जा सकता है, जो जैविक इमेजिंग से लेकर गुरुत्वाकर्षण तरंग पहचान जैसे क्षेत्रों में अधिक शक्तिशाली और अनुकूलन योग्य प्रौद्योगिकियों का मार्ग प्रशस्त करता है।
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