Mechanical trisqueezing in circuit quantum acoustodynamics with SNAIL devices
यह शोध पत्र एक SNAIL डिवाइस को एक मैकेनिकल रेज़ोनेटर के साथ युग्मित करते हुए एक सर्किट क्वांटम एकोस्टोडायनामिक्स आर्किटेक्चर प्रस्तावित करता है ताकि तीन-तरंग मिश्रण (three-wave mixing) इंटरैक्शन को इंजीनियर किया जा सके जो गैर-गॉसियन ट्रिस्कीज़्ड (non-Gaussian trisqueezed) मैकेनिकल अवस्थाओं को उत्पन्न करते हैं, जिससे अंतर्निहित केर नॉनलिनैरिटीज़ (Kerr nonlinearities) की सीमाओं को दूर किया जा सके और सार्वभौमिक निरंतर-चर क्वांटम सूचना प्रसंस्करण (universal continuous-variable quantum information processing) को सक्षम बनाया जा सके।
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क्वांटम भौतिकी की शांत दुनिया में, शोधकर्ता अक्सर अदृश्य को दृश्यमान बनाने के तरीके खोजते हैं, जिससे उप-परमाणु (subatomic) के विचित्र नियमों को कंप्यूटिंग और सेंसिंग के लिए उपकरणों में बदला जा सके। इस क्षेत्र में एक प्रमुख सीमा मैकेनिकल ऑसिलेटर्स (mechanical oscillators) से जुड़ी है—ये छोटे, कंपन करते हुए पिंड हैं जिन्हें तब तक ठंडा किया जा सकता है जब तक कि वे क्वांटम नियमों का पालन न करने लगें। ये कंपन करने वाली प्रणालियाँ पूर्ण, अनंत स्प्रिंग्स की तरह हैं जो अपनी गति में सूचना को संचित कर सकती हैं। दशकों से, वैज्ञानिक इन कंपनों को मानक, अनुमानित नियमों का उपयोग करके नियंत्रित करने में सक्षम रहे हैं, ठीक वैसे ही जैसे रेडियो ट्यून करना या एक स्प्रिंग को दबाना। हालाँकि, एक वास्तव में शक्तिशाली क्वांटम कंप्यूटर या एक अत्यंत संवेदनशील सेंसर बनाने के लिए, उन्हें इन अनुमानित नियमों को तोड़ने की आवश्यकता है। उन्हें "नॉन-गौसियन" (non-Gaussian) अवस्थाओं को बनाने की आवश्यकता है, जो क्वांटम गति के जटिल, अनियमित आकार हैं जिन्हें सरल, चिकनी वक्र रेखाओं द्वारा वर्णित नहीं किया जा सकता है। इन अनियमित आकारों के बिना, प्रणाली सीमित रहती है, जो सबसे उन्नत गणना करने या ब्रह्मांड की सबसे सूक्ष्म फुसफुसाहटों का पता लगाने में असमर्थ रहती है।
चुनौती इन जटिल आकारों को मैकेनिकल प्रणालियों में उत्पन्न करने का तरीका खोजना रही है। पिछले प्रयासों ने कंपन करने वाले हिस्सों को सुपरकंडक्टिंग सर्किट से जोड़ने पर भरोसा किया, लेकिन उन सर्किटों में उपयोग किए जाने वाले घटकों ने स्वाभाविक रूप से एक विशिष्ट प्रकार के इंटरैक्शन का पक्ष लिया जो केवल ऊर्जा में सरल, सम-संख्या वाले परिवर्तनों की अनुमति देता था। इस सीमा ने शोधकर्ताओं को एक महत्वपूर्ण प्रकार के क्वांटम ऑपरेशन तक पहुँचने से रोक दिया जिसे "ट्रिस्क्वीजिंग" (trisqueezing) कहा जाता है। ट्रिस्क्वीजिंग एक ऐसी प्रक्रिया है जहाँ ऊर्जा को तीन के समूहों में जोड़ा या हटाया जाता है, जो संभाव्यता का एक अनूठा, तारे के आकार का पैटर्न बनाता है जो उन्नत क्वांटम व्यवहार का एक लक्षण है। अब तक, भौतिकविदों के पास उपलब्ध मानक उपकरण सरल रूप से एक मैकेनिकल डिवाइस में इस तीन-दर-तीन (three-by-three) इंटरैक्शन को उत्पन्न नहीं कर सकते थे।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक नया डिज़ाइन प्रस्तावित किया है जो इस बाधा को दूर करता है, जो यह सुझाव देता है कि SNAIL नामक एक विशिष्ट प्रकार के सुपरकंडक्टिंग सर्किट तत्व का उपयोग करके इन मायावी तीन-दर-तीन इंटरैक्शन को उत्पन्न करने का एक तरीका खोजा जा सकता है। अपने कार्य में, वे एक सैद्धांतिक आर्किटेक्चर का वर्णन करते हैं जहाँ एक उच्च-गुणवत्ता वाले ध्वनिक अनुनादक (acoustic resonator) के भीतर फंसी एक मैकेनिकल कंपन को इस SNAIL डिवाइस से जोड़ा जाता है। SNAIL विशेष है क्योंकि इसमें एक प्राकृतिक क्यूबिक नॉन-लीनियैरिटी (cubic nonlinearity) होती है, जिसका अर्थ है कि इसके विद्युत गुण इस तरह बदलते हैं जो स्वाभाविक रूप से एक साथ तीन कणों वाले इंटरैक्शन का समर्थन करते हैं। एक विशिष्ट आवृत्ति पर दोलन करने वाले चुंबकीय क्षेत्र को सावधानीपूर्वक लागू करके, शोधकर्ता दिखाते हैं कि वे इस तीन-दर-तीन इंटरैक्शन को सक्रिय कर सकते हैं। यह प्रक्रिया प्रभावी रूप से मैकेनिकल कंपन को ट्रिस्क्वीज्ड अवस्थाओं के स्रोत में बदल देती है, जो क्वांटम परिदृश्य में वांछित तारे के आकार का पैटर्न बनाती है।
शोधकर्ताओं ने केवल सिद्धांत नहीं दिया; उन्होंने पूरे सर्किट का एक विस्तृत गणितीय मॉडल विकसित किया और यह देखने के लिए व्यापक कंप्यूटर सिमुलेशन किए कि क्या प्रस्तावित योजना वास्तविक दुनिया की सामग्रियों के साथ काम करेगी। उन्होंने पाया कि चुंबकीय क्षेत्र को एक "केर-फ्री" (Kerr-free) बिंदु पर—एक विशिष्ट सेटिंग जहाँ अवांछित विकृतियाँ रद्द हो जाती हैं—ट्यून करके, सिस्टम सैद्धांतिक रूप से शोर से बर्बाद हुए बिना ट्रिस्क्वीज्ड अवस्था उत्पन्न कर सकता है। उनके सिमुलेशन, जिन्होंने जटिल वायरिंग और सामग्रियों के विशिष्ट गुणों को ध्यान में रखा, ने दिखाया कि मैकेनिकल मोड को वास्तव में कुछ माइक्रोसेकंड के भीतर इस अवस्था में संचालित किया जा सकता है। यह समय सीमा उल्लेखनीय रूप से तेज़ है, जो ऊर्जा हानि के कारण डिवाइस के प्राकृतिक कंपन के समाप्त होने से बहुत पहले घटित होती है। परिणाम संकेत देते हैं कि अंतिम अवस्था में सही तीन-तरफा समरूपता (three-fold symmetry) और आवश्यक अनियमितताएं हैं जो उन्नत क्वांटम कार्यों के लिए उपयोगी हैं।
सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्षों में से एक यह है कि यह दृष्टिकोण उन छोटी खामियों के प्रति मजबूत है जो उपकरण बनाते समय अनिवार्य रूप से घटित होती हैं। वास्तविक दुनिया में, एक चिप से दूसरी चिप में घटकों का आकार थोड़ा भिन्न हो सकता है, जो आमतौर पर क्वांटम ऑपरेशनों के लिए आवश्यक सटीक आवृत्तियों को बिगाड़ देता है। शोधकर्ताओं ने अपने डिज़ाइन का इन संभावित त्रुटियों के विरुद्ध परीक्षण किया और पाया कि सिस्टम को आसानी से समायोजित किया जा सकता है। क्योंकि उनके द्वारा प्रस्तावित मैकेनिकल रेज़ोनेटर में कई निकटवर्ती कंपन आवृत्तियों का एक घना स्पेक्ट्रम होता है, यदि विनिर्माण दोष के कारण एक आवृत्ति थोड़ी गलत है, तो शोधकर्ता बस चुंबकीय क्षेत्र को एक पड़ोसी आवृत्ति पर लॉक करने के लिए ट्यून कर सकते हैं जो पूरी तरह से काम करती है। यह लचीलापन इस बात का प्रमाण है कि डिज़ाइन को सफल होने के लिए पूर्ण विनिर्माण की आवश्यकता नहीं है, जो इसे एक व्यावहारिक मार्ग बनाता है।
इस कार्य के निहितार्थ केवल एक नया प्रकार का कंप्यूटर बनाने तक ही सीमित नहीं हैं। इन विशिष्ट, तारे के आकार की क्वांटम अवस्थाओं को बनाने की क्षमता निरंतर चरों (continuous variables) का उपयोग करके सार्वभौमिक क्वांटम कंप्यूटिंग के द्वार खोलती है, जो सूचना को साधारण ऑन-ऑफ स्विच के बजाय तरंगों के आयाम और चरण (amplitude and phase) में एनकोड करती है। इसके अलावा, ये अवस्थाएं अपने वातावरण में होने वाले परिवर्तनों के प्रति अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील होती हैं। क्योंकि मैकेनिकल कंपन में एकल परमाणुओं की तुलना में अपेक्षाकृत बड़ा द्रव्यमान शामिल होता है, इसलिए ऐसी अवस्थाओं को इस तरह की प्रणाली में बनाना वैज्ञानिकों को बड़े पिंडों पर क्वांटम यांत्रिकी की मौलिक सीमाओं का परीक्षण करने की अनुमति दे सकता है। शोधकर्ताओं ने यह भी उल्लेख किया कि उसी डिवाइस का उपयोग अन्य मानक क्वांटम ऑपरेशन्स को करने के लिए किया जा सकता है, जिसका अर्थ है कि एक ही हार्डवेयर एक पूर्ण टूलकिट प्रदान कर सकता है। इन जटिल अवस्थाओं को उत्पन्न करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदर्शित करके, यह अध्ययन अगली पीढ़ी की क्वांटम प्रौद्योगिकियों के लिए एक हार्डवेयर-कुशल मार्ग प्रदान करता है, जो एक सैद्धांतिक संभावना को एक मूर्त इंजीनियरिंग लक्ष्य में बदल देता है।
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