A Fibre-Integrated SPDC Heralded Single-Photon Source Using Zn-Indiffused PPLN Ridge Waveguides at Telecom Wavelengths
यह शोध पत्र एक Sagnac इंटरफेरोमीटर में Zn-इन्डिफ्यूज्ड MgO:PPLN रिज वेवगाइड पर आधारित एक पूर्णतः फाइबर-एकीकृत, ब्रॉडबैंड हेराल्ड सिंगल-फोटॉन स्रोत का प्रदर्शन करता है जो दूरसंचार तरंगदैर्ध्य पर उच्च-दृश्यता वाले टू-फोटॉन इंटरफेरेंस और बेल स्टेट फिडेलिटी प्राप्त करता है और साथ ही एंटैंगलमेंट मेट्रिक्स पर उच्च फ्लक्स के प्रभाव की जांच करता है।
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क्वांटम भौतिकी की शांत, अदृश्य दुनिया में, प्रकाश ऐसे तरीकों से व्यवहार करता है जो हमारी रोजमर्रा की सहज बुद्धि को चुनौती देते हैं। कणों की एक स्थिर धारा के रूप में कार्य करने के बजाय, प्रकाश को फोटॉन नामक व्यक्तिगत पैकेटों में विभाजित किया जा सकता है, जो 'एंटैंगलमेंट' (entanglement) के रूप में जानी जाने वाली एक रहस्यमय विधि से आपस में जुड़ सकते हैं। जब दो फोटॉन एंटैंगल्ड होते हैं, तो एक की स्थिति दूसरे की स्थिति को तुरंत प्रभावित करती है, चाहे वे एक-दूसरे से कितनी भी दूर क्यों न हों। यह घटना केवल एक सैद्धांतिक जिज्ञासा नहीं है; यह तकनीक की एक नई पीढ़ी का आधार है, जिसमें अति-सुरक्षित संचार नेटवर्क और ब्रह्मांड को अभूतपूर्व सटीकता के साथ मापने में सक्षम सेंसर शामिल हैं। इन भविष्य के सिस्टमों को बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को इन एंटैंगल्ड फोटॉन युग्मों को उत्पन्न करने के लिए एक विश्वसनीय तरीके की आवश्यकता है, विशेष रूप से उन तरंग दैर्ध्य (wavelengths) पर जिनका उपयोग वैश्विक इंटरनेट बुनियादी ढांचे द्वारा किया जाता है, ताकि वे बिना खोए या विकृत हुए मौजूदा फाइबर-ऑप्टिक केबलों के माध्यम से यात्रा कर सकें।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक ऐसे उपकरण का उपयोग करके इन एंटैंगल्ड फोटॉन युग्मों को उत्पन्न करने की एक अत्यधिक प्रभावी विधि प्रदर्शित की है, जो पूरी तरह से एक मानक फाइबर-ऑप्टिक केबल के भीतर समाहित हो सकता है। एक विशेष क्रिस्टल को दर्पणों और स्प्लिटर (splitters) की एक चतुर व्यवस्था के साथ जोड़कर, उन्होंने एक ऐसा स्रोत बनाया जो एंटैंगल्ड प्रकाश का एक विस्तृत स्पेक्ट्रम उत्पन्न करता है, जो एक विशेषता है जो एक साथ कई डेटा स्ट्रीम भेजने के लिए महत्वपूर्ण है। शोधकर्ताओं ने, एक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध क्रिस्टल मॉड्यूल के साथ काम करते हुए, दिखाया कि उनका सिस्टम रंगों की एक विस्तृत श्रृंखला में एंटैंगल्ड जोड़े उत्पन्न कर सकता है, जो विशेष रूप से लगभग 67 नैनोमीटर के बैंडविड्थ को कवर करता है। यह एक महत्वपूर्ण उपलब्धि है क्योंकि यह सूचना के कई अलग-अलग चैनलों को एक साथ प्रसारित करने की अनुमति देता है, जिसे 'वेवलेंथ मल्टीप्लेक्सिंग' (wavelength multiplexing) कहा जाता है, जो भविष्य की भारी डेटा मांगों को संभालने के लिए क्वांटम नेटवर्क को स्केल करने के लिए आवश्यक है।
उनके प्रयोग का मुख्य केंद्र लिथियम नाइओबेट (lithium niobate) से बना एक क्रिस्टल था, जो प्रदर्शन में सुधार के लिए मैग्नीशियम और जिंक के साथ मिलाया गया (doped) है। इस क्रिस्टल को एक छोटी रिज (ridge) के आकार में ढाला गया था और इसके दोनों सिरों को सीधे फाइबर-ऑप्टिक केबलों से जोड़ा गया था, जिससे प्रकाश स्रोत और ट्रांसमिशन नेटवर्क के बीच एक निर्बाध सेतु बन गया। शोधकर्ताओं ने इस क्रिस्टल को 780 नैनोमीटर की एक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य पर लेजर बीम से पंप किया। जैसे ही लेजर प्रकाश क्रिस्टल के माध्यम से यात्रा करता है, वह स्वतः ही कम ऊर्जा वाले फोटॉन के जोड़ों में विभाजित हो जाता है, जिसे 'स्पोंटेनियस पैरामीट्रिक डाउन-कन्वर्जन' (spontaneous parametric down-conversion) कहा जाता है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि ये जोड़े उनके ध्रुवीकरण (polarization)—जिस दिशा में उनके प्रकाश तरंग कंपन करते हैं—में एंटैंगल्ड हैं, शोधकर्ताओं ने अपने क्रिस्टल को एक 'साग्नैक इंटरफेरोमीटर' (Sagnac interferometer) के भीतर रखा। यह एक फाइबर-ऑप्टिक केबल का लूप है जहाँ लेजर प्रकाश एक ही समय में घड़ी की दिशा (clockwise) और घड़ी की विपरीत दिशा (counter-clockwise) दोनों में यात्रा करता है। चूंकि प्रकाश दोनों दिशाओं में एक ही पथ का अनुसरण करता है, इसलिए सिस्टम अविश्वसनीय रूप से स्थिर रहता है, और उन सूक्ष्म कंपनों या तापमान परिवर्तनों को स्वचालित रूप से ठीक करता है जो अन्यथा नाजुक क्वांटम संबंध को बिगाड़ सकते थे।
इस सेटअप के परिणाम आश्चर्यजनक थे। जब शोधकर्ताओं ने सिस्टम से निकलने वाले प्रकाश को मापा, तो उन्होंने पाया कि फोटॉन वास्तव में दृढ़ता से एंटैंगल्ड थे। उन्होंने विभिन्न कोणों पर फोटॉन के एक-दूसरे के साथ सहसंबंध (correlation) को मापकर इसका परीक्षण किया, जिस परीक्षण ने 96.9 प्रतिशत की औसत दृश्यता (visibility) प्रकट की। क्वांटम प्रयोगों की दुनिया में, यह संख्या इस बात का माप है कि एंटैंगल्ड संबंध कितनी स्पष्टता से देखा जा सकता है; इतना उच्च स्कोर इंगित करता है कि फोटॉन बिल्कुल उसी तरह व्यवहार कर रहे हैं जैसा क्वांटम सिद्धांत भविष्यवाणी करता है। इसके अलावा, उन्होंने 'बेल टेस्ट' (Bell test) नामक एक कठोर सांख्यिकीय परीक्षण किया, जो यह जांचता है कि कणों के बीच का संबंध वास्तव में क्वांटम है या इसे शास्त्रीय भौतिकी (classical physics) द्वारा समझाया जा सकता है। परिणाम 2.501 का स्कोर था, जो शास्त्रीय भौतिकी द्वारा निर्धारित 2 की अधिकतम सीमा से काफी ऊपर है, जो पुष्टि करता है कि स्रोत वास्तविक क्वांटम एंटैंगलमेंट पैदा कर रहा है।
इस कार्य के सबसे महत्वपूर्ण पहलुओं में से एक यह है कि शोधकर्ताओं ने प्रकाश के रंगों को सीमित करने के लिए भारी फिल्टरों का उपयोग किए बिना इन उच्च-गुणवत्ता वाले परिणामों को प्राप्त किया। कई पिछली प्रणालियों को एक साफ सिग्नल प्राप्त करने के लिए अधिकांश प्रकाश को रोकना पड़ता था, जिससे बहुत सारा संभावित डेटा बर्बाद हो जाता था। इसके विपरीत, यह नया स्रोत अपने पूर्ण, विस्तृत स्पेक्ट्रम पर कार्य करता है, और मूल लेजर प्रकाश को रोकने के लिए केवल एक सरल फिल्टर का उपयोग करता है। इसका मतलब है कि यह सिस्टम बहुत अधिक कुशल है और तरंग दैर्ध्य की एक विस्तृत विविधता को संभालने में सक्षम है। टीम ने यह भी पता लगाया कि जब उन्होंने अधिक फोटॉन उत्पन्न करने के लिए स्रोत की चमक (brightness) बढ़ाई तो क्या होता है। उन्होंने पाया कि जबकि सिस्टम मजबूत बना रहा, एंटैंगलमेंट की गुणवत्ता को मापने के मानक तरीके बहुत उच्च गति पर विफल होने लगे। जब एक साथ बहुत अधिक जोड़े बनाए जाते हैं, तो यादृच्छिक संयोग (random coincidences) वास्तविक एंटैंगलमेंट की तरह दिखने लगते हैं, जिससे यदि सावधानीपूर्वक गणना न की जाए तो भ्रामक रूप से उच्च स्कोर प्राप्त होते हैं। यह खोज वर्तमान माप तकनीकों के लिए एक व्यावहारिक सीमा को उजागर करती है और सुझाव देती है कि जैसे-जैसे ये सिस्टम और भी चमकदार बनेंगे, नए तरीकों की आवश्यकता होगी।
शोधकर्ताओं ने प्रकाश की पूर्ण क्वांटम अवस्था का भी पुनर्निर्माण किया ताकि यह देख सकें कि यह एक आदर्श एंटैंगल्ड जोड़े की तुलना में वास्तव में कैसी है। उन्होंने पाया कि कच्चे डेटा ने 78.1 प्रतिशत की फिडेलिटी (fidelity) दिखाई, जिसका अर्थ है कि प्रकाश आदर्श अवस्था के काफी करीब था, हालांकि पूर्ण नहीं था। फाइबर केबलों के कारण ध्रुवीकरण में होने वाले छोटे घुमावों के लिए गणितीय रूप से समायोजन करके, वे यह दिखाने में सक्षम थे कि एंटैंगलमेंट की अंतर्निहित गुणवत्ता वास्तव में बहुत अधिक थी, जो 85.6 प्रतिशत तक पहुँच गई। यह पुष्टि करता है कि खामियां स्वयं एंटैंगलमेंट प्रक्रिया में विफलता के कारण नहीं थीं, बल्कि सेटअप में मामूली यांत्रिक और ऑप्टिकल विचित्रताओं के कारण थीं जिन्हें सुधारा जा सकता है। यह पूरा सिस्टम ऑफ-द-शेल्फ (off-the-shelf) वाणिज्यिक घटकों का उपयोग करके बनाया गया था, जो यह सिद्ध करता है कि उच्च-प्रदर्शन वाले क्वांटम स्रोतों के लिए विदेशी या कस्टम-निर्मित प्रयोगशाला उपकरणों की आवश्यकता नहीं होती है।
यह कार्य क्वांटम तकनीक को व्यावहारिक और स्केलेबल बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है। फाइबर ऑप्टिक्स में पूरी तरह से एकीकृत, तरंग दैध्य की एक विस्तृत श्रृंखला पर संचालित होने वाले और जटिल फिल्टरिंग के बिना उच्च-गुणवत्ता वाला एंटैंगलमेंट बनाए रखने वाले स्रोत का प्रदर्शन करके, शोधकर्ताओं ने भविष्य के क्वांटम नेटवर्क के लिए एक ब्लूप्रिंट प्रदान किया है। एक विस्तृत स्पेक्ट्रम पर कुशलतापूर्वक एंटैंगल्ड फोटॉन उत्पन्न करने की क्षमता का अर्थ है कि ये नेटवर्क वर्तमान प्रणालियों की तुलना में बहुत अधिक जानकारी ले सकते हैं, जो सुरक्षित संचार और उन्नत सेंसिंग के एक नए युग का मार्ग प्रशस्त करते हैं। निष्कर्ष बताते हैं कि वैश्विक क्वांटम इंटरनेट का मार्ग अब स्पष्ट हो रहा है, जिसमें विश्वसनीय, व्यावसायिक रूप से उपलब्ध और वास्तविक बुनियादी ढांचे में तैनात करने के लिए तैयार घटक शामिल हैं।
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