Experimental Demonstration of a Balanced Travelling Wave Parametric Amplifier

ब्रह्मांड के सबसे ठंडे कोनों में, जहाँ तापमान परम शून्य (absolute zero) के करीब गिर जाता है, वैज्ञानिक प्रकाश और पदार्थ की अत्यंत मंद फुसफुसाहटों को सुनने की कोशिश करते हैं। इन फुसफुसाहटों को सुनने के लिए, उन्हें ऐसे एम्पलीफायरों (amplifiers) की आवश्यकता होती है जो बिना अपना शोर जोड़े या संदेश को विकृत किए, अविश्वसनीय रूप से कमजोर संकेतों को बढ़ा सकें। सुपरकंडक्टिंग ट्रैवलिंग-वेव पैरामीट्रिक एम्पलीफायर्स इस काम के लिए चुनी गई तकनीक हैं। वे क्वांटम दुनिया के लिए एक सटीक रूप से ट्यून किए गए माइक्रोफोन की तरह कार्य करते हैं, जो एक साथ आवृत्तियों (frequencies) की एक विस्तृत श्रृंखला को पकड़ने में सक्षम हैं। हालाँकि, इन एम्पलीफायरों का एक जटिल दुष्प्रभाव भी है। जब वे किसी संकेत को बढ़ाते हैं, तो वे अनिवार्य रूप से एक अलग आवृत्ति पर उस संकेत की एक दर्पण छवि (mirror image) बना देते हैं। यदि मूल संकेत अज्ञात है या एक विस्तृत स्पेक्ट्रम को कवर करता है, तो यह दर्पण छवि भ्रम पैदा करती है, जिससे यह पहचानना असंभव हो जाता है कि डेटा का कौन सा हिस्सा वास्तविक संकेत है और कौन सा उसकी काल्पनिक छाया। इस समस्या ने लंबे समय से इन शक्तिशाली उपकरणों द्वारा दी जाने वाली उपयोगी जानकारी की मात्रा को सीमित कर दिया था।

यूनिवर्सिटी ऑफ ऑक्सफोर्ड और जेट प्रोपल्शन लेबोरेटरी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस भ्रम को हल करने का एक तरीका प्रदर्शित किया है। उन्होंने एक नया प्रकार का एम्पलीफायर आर्किटेक्चर बनाया है जो एक ट्रैफिक निर्देशक की तरह कार्य करता है, जो वास्तविक संकेत को उसकी अवांछित दर्पण छवि और सिस्टम को चलाने के लिए उपयोग की जाने वाली शक्तिशाली पंप ऊर्जा से अलग करता है। विशेष माइक्रोवेव कपलरों के बीच दो समान एम्पलीफायरों को व्यवस्थित करके, उन्होंने एक ऐसा सेटअप तैयार किया जहाँ वांछित संकेत एक पथ पर यात्रा करता है जबकि शोर और प्रतिबिंब दूसरे पथ पर चलते हैं। इसका परिणाम एक ऐसा उपकरण है जो आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला में मजबूत, स्पष्ट प्रवर्धन (amplification) प्रदान करता है, जो पिछले डिजाइनों में व्याप्त स्पेक्ट्रल भ्रम को समाप्त करके उपयोगी बैंडविड्थ को प्रभावी रूप से दोगुना कर देता है।

इस सफलता का मूल आधार यह है कि शोधकर्ताओं ने सिस्टम में चलती तरंगों के चरणों (phases), या समय (timing) को कैसे प्रबंधित किया। एक मानक एम्पलीफायर में, एक मजबूत पंप तरंग एक कमजोर इनपुट सिग्नल के साथ मिलकर एक तीसरी तरंग बनाती है जिसे 'आइडलर' (idler) कहा जाता है। यही वह आइडलर है जो दर्पण छवि के रूप में समस्या उत्पन्न करता है। इस नए संतुलित डिजाइन में, शोधकर्ताओं ने इनपुट सिग्नल और पंप तरंग को दो अलग-अलग पथों में विभाजित किया। उन्होंने समय का ऐसा प्रबंधन किया कि दोनों पथों में सिग्नल तरंगें पूरी तरह से सिंक्रोनाइज़ (synchronized) थीं, जबकि पंप और आइडलर तरंगें पूरी तरह से आउट-ऑफ-सिंक (out of sync) थीं। जब ये तरंगें यात्रा के अंत में पहुँचीं और पुनर्संयोजित हुईं, तो सिंक्रोनाइज़ किए गए सिग्नलों ने मिलकर खुद को और मजबूत बनाया, जबकि आउट-ऑफ-सिंक पंप और आइडलर तरंगों ने एक-दूसरे को रद्द कर दिया। यह रद्दीकरण (cancellation) इतना प्रभावी ढंग से हुआ कि अवांछित घटकों को एक अलग निकास पोर्ट (exit port) की ओर भेज दिया गया, जिससे मुख्य आउटपुट साफ और हस्तक्षेप से मुक्त रहा।

इस अवधारणा का परीक्षण करने के लिए, टीम ने नाइओबियम टाइटेनियम नाइट्राइड नामक सामग्री से बने दो सुपरकंडक्टिंग एम्पलीफायरों का उपयोग करके उपकरण का निर्माण किया। इन चिप्स को एक ही वेफर पर रखा गया था और दो माइक्रोवेव कपलरों से जोड़ा गया था जो विभाजन और संयोजन जंक्शनों के रूप में कार्य करते थे। शोधकर्ताओं ने एक पोर्ट में एक कमजोर सिग्नल और दूसरे में एक मजबूत पंप तरंग भेजी, और फिर दो निकास पोर्टों से निकलने वाले आउटपुट को मापा। उन्होंने पाया कि उपकरण ने लगभग दोगुनी चौड़ाई वाली आवृत्ति सीमा (1.8 से 3.2 गीगाहर्ट्ज़ तक) में सिग्नल को लगभग 20 डेसिबल तक सफलतापूर्वक प्रवर्धित किया। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि उन्होंने देखा कि अवांछित पंप तरंग 20 डेसिबल से अधिक दब गई थी, और दर्पण छवि, या आइडलर, को ऑपरेटिंग बैंड में औसतन 15 डेसिबल द्वारा अस्वीकार कर दिया गया था।

प्रयोग ने यह भी प्रकट किया कि उपकरण के भौतिक निर्माण ने इसके प्रदर्शन को कैसे प्रभावित किया। चूंकि दोनों एम्पलीफायर पूरी तरह से समान नहीं थे—सिलिकॉन वेफर पर निर्माण प्रक्रिया में सूक्ष्म भिन्नताओं के कारण—इसलिए अवांछित तरंगों का रद्दीकरण पूर्ण नहीं था। शोधकर्ताओं ने दोनों पथों की विद्युत लंबाई (electrical length) में मामूली अंतर को मापा, जिसके कारण थोड़ी सी लीकेज (leakage) हुई। हालाँकि, इस खामी का एक अप्रत्याशित लाभ भी था: इसने गेन (gain) में आने वाली लहरों (ripples) को सुचारू बनाने में मदद की, जो इन उपकरणों में अक्सर होने वाले प्रवर्धन की शक्ति के छोटे उतार-चढ़ाव होते हैं। टीम ने उल्लेख किया कि यदि वे भविष्य के संस्करणों का निर्माण करते हैं जहाँ दोनों एम्पलीफायरों को वेफर पर एक-दूसरे के ठीक बगल में रखा जाए, तो वे निर्माण संबंधी अंतरों को कम कर सकते हैं और इमेज रिजेक्शन (image rejection) को और भी ऊँचा ले जा सकते हैं, जिससे संभवतः एक ऐसी स्थिति प्राप्त होगी जहाँ दर्पण छवि लगभग अदृश्य हो जाएगी।

यह कार्य इन एम्पलीफायरों के वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए एक व्यावहारिक मार्ग स्थापित करता है, जहाँ इनपुट सिग्नल अज्ञात होता है या व्यापक रूप से बदलता रहता है। खगोल विज्ञान जैसे क्षेत्रों में, जहाँ वैज्ञानिक आकाश का मानचित्र बनाने के लिए रेडियो टेलीस्कोप का उपयोग करते हैं, या क्वांटम कंप्यूटिंग में, जहाँ नाजुक क्वांटम अवस्थाओं को बिना किसी त्रुटि के पढ़ा जाना चाहिए, सिग्नल को उसकी दर्पण छवि से अलग करना अत्यंत महत्वपूर्ण है। पहले, वैज्ञानिकों को भ्रम से बचने के लिए जटिल फिल्टरिंग का उपयोग करना पड़ता था या बैंडविड्थ का त्याग करना पड़ता था। यह नया संतुलित दृष्टिकोण उस आवश्यकता को समाप्त करता है, जो डेटा के लिए एक स्वच्छ और व्यापक खिड़की प्रदान करता है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि केवल घटकों को सही ढंग से व्यवस्थित करके, वे एम्पलीफायर की गति या रेंज से समझौता किए बिना उच्च प्रदर्शन प्राप्त कर सकते हैं, जो भविष्य के अधिक संवेदनशील उपकरणों का मार्ग प्रशस्त करता है।

इस प्रयोग की सफलता तरंग चरणों (wave phases) के सटीक नियंत्रण पर निर्भर करती है, जो एक ऐसी अवधारणा है जिसे तकनीकी प्रशिक्षण के बिना समझना कठिन हो सकता है। कल्पना कीजिए कि दो लोग साथ-साथ चल रहे हैं; यदि वे बिल्कुल तालमेल में कदम रखते हैं, तो उनकी संयुक्त गति मजबूत और स्थिर होती है। यदि एक व्यक्ति आगे कदम बढ़ाता है जबकि दूसरा पीछे, तो उनकी गतिविधियाँ एक-दूसरे को रद्द कर देती हैं, और वे अपनी जगह पर ही रहते हैं। शोधकर्ताओं ने इस सिद्धांत का उपयोग करके उपयोगी सिग्नल को तालमेल में चलने के लिए और अवांछित शोर को एक-दूसरे के विरुद्ध चलने के लिए मजबूर किया, जिससे उसे प्रभावी रूप से शांत कर दिया गया। इस सरल लेकिन शक्तिशाली तंत्र ने उन्हें प्रवर्धित सिग्नल को पंप और आइडलर से अलग करने में सक्षम बनाया, जिससे एक ऐसा उपकरण बन गया जो पहले आवृत्तियों के भ्रमित मिश्रण का उत्पादन करता था, अब एक स्वच्छ, हाई-फिडेलिटी रिसीवर बन गया है।

निष्कर्ष बताते हैं कि संतुलित आर्किटेक्चर ब्रॉडबैंड पैरामीट्रिक प्रवर्धन के लिए एक व्यवहार्य और व्यावहारिक समाधान है। टीम के मापन ने पुष्टि की कि उपकरण आधुनिक, उच्च-गति डेटा संग्रह की मांगों को संभालने में सक्षम है और साथ ही संवेदनशील वैज्ञानिक कार्यों के लिए आवश्यक निम्न शोर स्तरों को बनाए रखता है। हालांकि वर्तमान प्रोटोटाइप ने दोनों एम्पलीफायरों के बीच मामूली अंतर के कारण कुछ सीमाएँ दिखाईं, लेकिन परिणामों ने सिद्ध कर दिया कि मौलिक अवधारणा काम करती है। शोधकर्ता आश्वस्त हैं कि बेहतर निर्माण तकनीकों के साथ, जैसे कि एम्पलीफायरों को एक-दूसरे के करीब रखना ताकि वे अधिक समान हो सकें, प्रदर्शन को और अधिक परिष्कृत किया जा सकता है। यह दृष्टिकोण ब्रह्मांड की खोज करने और क्वांटम प्रौद्योगिकियों को आगे बढ़ाने के लिए अगली पीढ़ी के अति-संवेदनशील डिटेक्टरों के निर्माण के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है।