Performance of a Hot Rb Vapour-Based Portable Quantum Memory

इंटरनेट का भविष्य एक ऐसे उपकरण पर निर्भर हो सकता है जो प्रकाश के एक अकेले कण को पकड़ सके, उसे एक क्षण के लिए स्थिर रख सके, और फिर उसे बिना तोड़े फिर से छोड़ सके। आज का वैश्विक नेटवर्क फाइबर-ऑप्टिक केबलों पर निर्भर है जो प्रकाश के स्पंदों (pulses) के रूप में सूचना ले जाते हैं, लेकिन जैसे-जैसे ये संकेत यात्रा करते हैं, वे धुंधले और कमजोर पड़ जाते हैं। शास्त्रीय दुनिया (classical world) में, इंजीनियर सिग्नल को बढ़ाने के लिए एम्पलीफायर का उपयोग करके इस समस्या को हल करते हैं, लेकिन क्वांटम भौतिकी के नियम इसकी अनुमति नहीं देते हैं। अज्ञात क्वांटम अवस्थाओं की सटीक नकल करने से रोकने वाले एक मौलिक नियम के कारण, इन नाजुक संकेतों को उस सूचना को नष्ट किए बिना प्रवर्धित (amplify) नहीं किया जा सकता है जिसे वे वहन कर रहे हैं। एक क्वांटम इंटरनेट बनाने के लिए जो लंबी दूरी तक काम कर सके, वैज्ञानिकों को इसके बजाय "रिपीटर्स" का उपयोग करना होगा जो रिले स्टेशनों के रूप में कार्य करते हैं। इन स्टेशनों को एक विशेष प्रकार की मेमोरी की आवश्यकता होती है जो एक क्वांटम अवस्था को अस्थायी रूप से संग्रहीत करने, अगली कड़ी के तैयार होने तक प्रतीक्षा करने और फिर आदेश पर सूचना को छोड़ने में सक्षम हो। चुनौती इन मेमोरी को बनाने की है जो छोटी, मजबूत हों और अत्यधिक ठंड या भारी मात्रा में बिजली की आवश्यकता के बिना काम कर सकें, जिससे वे वास्तविक दुनिया में तैनाती के लिए उपयुक्त बन सकें।

एक हालिया अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने ठीक इसी उद्देश्य के लिए डिज़ाइन किए गए एक व्यावसायिक, पोर्टेबल उपकरण का परीक्षण करने का निर्णय लिया। टीम ने वार्म रुबिडियम वेपर (warm rubidium vapor) पर आधारित एक सिस्टम के साथ काम करते हुए यह जांचा कि यह "क्वांटम मेमोरी" विभिन्न परिस्थितियों में प्रकाश के स्पंदों को कितनी अच्छी तरह से संग्रहीत और पुनर्प्राप्त कर सकती है। यह उपकरण रुबिडियम परमाणुओं के एक बादल का उपयोग करता है, जिसे आसानी से नियंत्रित किए जाने योग्य तापमान तक गर्म किया जाता है, ताकि प्रकाश को कैद किया जा सके। वेपर के तापमान और प्रकाश के स्पंदों के समय को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, शोधकर्ताओं ने तीन महत्वपूर्ण प्रदर्शन मेट्रिक्स को मापा: यह कि मेमोरी प्रकाश को फीका पड़ने से पहले कितनी देर तक रोक सकती है, यह कि वह संग्रहीत सिग्नल को कितनी कुशलता से पुनः प्राप्त कर सकती है, और सिग्नल को बैकग्राउंड शोर (noise) से कितनी स्पष्टता से अलग किया जा सकता है। उन्होंने त्रुटि दर (error rate) की भी गणना की, जो यह मापती है कि सिस्टम कितनी बार डेटा की गलत व्याख्या कर सकता है। लक्ष्य यह देखना था कि क्या यह पोर्टेबल तकनीक उन सख्त मानकों को पूरा कर सकती है जो हमारे वर्तमान इंटरनेट को संचालित करने वाले शास्त्रीय फाइबर-ऑप्टिक नेटवर्क के लिए पहले से स्थापित हैं।

शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट प्रकार की अंतःक्रिया (interaction) पर ध्यान केंद्रित किया जिसे इलेक्ट्रोमैग्नेटिकली इंड्यूस्ड ट्रांसपेरेंसी (electromagnetically induced transparency) कहा जाता है। सरल शब्दों में, यह एक ऐसी प्रक्रिया है जहाँ दो लेजर बीम का उपयोग करके एक सामान्यतः अपारदर्शी (opaque) परमाणु बादल को प्रकाश के एक विशिष्ट स्पंद के लिए पारदर्शी बनाया जाता है। एक बीम 'कंट्रोल' के रूप में कार्य करती है, जबकि दूसरी सूचना ले जाती है। जब कंट्रोल बीम सक्रिय होती है, तो परमाणु सूचना वाली बीम को गुजरने की अनुमति देते हैं। कंट्रोल बीम को सूचना स्पंद के बादल के भीतर होने के दौरान बंद करके, प्रकाश प्रभावी रूप से रुक जाता है और परमाणु उत्तेजनाओं (atomic excitations) के एक पैटर्न के रूप में संग्रहीत हो जाता है। सूचना को पुनः प्राप्त करने के लिए, कंट्रोल बीम को फिर से चालू कर दिया जाता है, जिससे प्रकाश का स्पंद मुक्त हो जाता है। टीम ने एक व्यावसायिक, रैक-माउंट करने योग्य सिस्टम का उपयोग करके इस प्रक्रिया का परीक्षण किया जो रुबिडियम गैस से भरा हुआ था, जिसमें सेल को 60 से 90 डिग्री सेल्सियस के बीच विभिन्न तापमानों तक गर्म किया गया था। उन्होंने प्रकाश के स्पंद भेजे और विभिन्न भंडारण समय (कुछ माइक्रोसेकंड से लेकर कई सौ माइक्रोसेकंड तक) के बाद मूल सिग्नल का कितना हिस्सा वापस आया, इसका मापन किया।

परिणामों ने तापमान और प्रदर्शन के बीच एक नाजुक संतुलन को प्रकट किया। जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने वेपर के तापमान को बढ़ाया, परमाणु तेजी से चलने लगे। हालांकि इससे प्रकाश के साथ अंतःक्रिया करने के लिए उपलब्ध परमाणुओं की संख्या बढ़ गई, लेकिन इसने अधिक शोर भी पैदा किया और संग्रहीत सूचना को अधिक तेज़ी से फीका कर दिया। अध्ययन में पाया गया कि मेमोरी प्रकाश को सबसे लंबे समय तक सबसे कम तापमान, 60 डिग्री सेल्सियस पर रोक सकती है, जहाँ सिग्नल लगभग 278 माइक्रोसेकंड तक सुसंगत (coherent) बना रहा। हालांकि, सिस्टम की दक्षता—अर्थात, मूल प्रकाश का कितना प्रतिशत सफलतापूर्वक पुनः प्राप्त किया गया—उसी पैटर्न का पालन नहीं करती थी। सिस्टम 70 डिग्री सेल्सियस पर सबसे अच्छा प्रदर्शन करता है, जहाँ यह संग्रहीत प्रकाश का उच्चतम प्रतिशत पुनः प्राप्त करता है। जब शोधकर्ताओं ने सिग्नल-टू-नॉइज़ रेशियो (signal-to-noise ratio) को देखा, जो बैकग्राउंड स्टैटिक की तुलना में पुनः प्राप्त सिग्नल की शुद्धता का एक माप है, तो उन्होंने उच्चतम तापमान 90 डिग्री सेल्सियस पर सर्वश्रेष्ठ प्रदर्शन पाया।

शायद सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि टीम ने इन भौतिक मापों को मानक दूरसंचार की भाषा में अनुवादित किया। उन्होंने बिट एरर रेट (bit error rate) की गणना की, जो हमें बताता है कि यदि यह सिस्टम डिजिटल डेटा भेज रहा होता तो यह कितनी गलतियाँ करता। एक वास्तविक नेटवर्क में उपयोगी होने के लिए, इस त्रुटि दर का अत्यंत कम होना आवश्यक है। अध्ययन ने दिखाया कि 60 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान पर और 50 माइक्रोसेकंड तक के स्टोरेज समय के लिए, डिवाइस ने आधुनिक दूरसंचार नेटवर्कों के लिए आवश्यक थ्रेशोल्ड से बहुत नीचे की त्रुटि दर उत्पन्न की। वास्तव में, कम स्टोरेज समय के लिए, सिस्टम ने दस अरब में से एक से भी कम की त्रुटि दर हासिल की, जो विश्वसनीयता का एक ऐसा स्तर है जो आज के क्लासिकल इंटरनेट के मानकों से मेल खाता है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि हालांकि सिस्टम 795 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य (wavelength) पर काम करता है, जो लंबी दूरी के फाइबर ऑप्टिक्स के लिए मानक नहीं है, इस तकनीक को वेवलेंथ कन्वर्जन तकनीकों के माध्यम से मौजूदा बुनियादी ढांचे के साथ काम करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है।

यह कार्य सुझाव देता है कि वार्म एटॉमिक वेपर्स पर आधारित पोर्टेबल क्वांटम मेमोरी केवल सैद्धांतिक अवधारणाएं नहीं हैं, बल्कि व्यावहारिक उपयोग के लिए आवश्यक प्रदर्शन स्तरों के करीब पहुंच रही हैं। अध्ययन में किसी एक कार्य के लिए कोई एक "परफेक्ट" तापमान नहीं मिला; इसके बजाय, इसने एक परिचालन विंडो (operational window) की पहचान की जहाँ विभिन्न प्रदर्शन लक्ष्यों को पूरा किया जा सकता है। यदि प्राथमिकता सिग्नल को लंबे समय तक रोकने की है, तो ठंडा तापमान बेहतर है। यदि लक्ष्य उच्चतम दक्षता या सबसे स्वच्छ गुणवत्ता के साथ सिग्नल को पुनः प्राप्त करना है, तो गर्म तापमान अधिक उपयुक्त है। यह लचीलापन एक महत्वपूर्ण प्रगति है, जो यह संकेत देती है कि इन उपकरणों को क्वांटम नेटवर्क की विशिष्ट आवश्यकताओं के अनुरूप ढाला जा सकता है। यह प्रदर्शित करके कि एक पोर्टेबल, वार्म-वेपर सिस्टम शास्त्रीय संचार के कठोर बेंचमार्क को पूरा कर सकता है, शोधकर्ताओं ने क्वांटम मेमोरी को भविष्य के इंटरनेट में एकीकृत करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान किया है, जो नाजुक क्वांटम अवस्थाओं और हमारी दुनिया को जोड़ने वाले मजबूत नेटवर्क के बीच के अंतर को पाटता है।