Parallel Omnidirectional Atom Rearrangement with Dynamic Holograms
यह शोध पत्र एक एकल किलोहर्ट्ज़-दर वाले स्थानिक प्रकाश मॉड्यूलेटर (spatial light modulator) से प्राप्त गतिशील होलोग्राम और एक वॉर्म-स्टार्ट वेटेड गेरचबर्ग-सैक्सटन एल्गोरिदम का उपयोग करके, ऑप्टिकल ट्वीज़र एरेज़ में तीव्र, समानांतर और त्रि-आयामी परमाणु पुनर्व्यवस्था के लिए एक विधि प्रदर्शित करता है, जिसने 99.0% औसत भराव के साथ 2078-साइट यिट्रियम कगाम (kagome) जाली को सफलतापूर्वक संयोजित किया है।
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आज के कंप्यूटरों की पहुंच से परे समस्याओं को हल करने वाली मशीनें बनाने की खोज में, वैज्ञानिक पदार्थ के सबसे छोटे निर्माण खंडों: व्यक्तिगत परमाणुओं की ओर मुड़ रहे हैं। इन परमाणुओं को क्वांटम कंप्यूटर के बिट्स के रूप में उपयोग करने के लिए, शोधकर्ताओं को पहले उन्हें सटीक, दोषरहित पैटर्न में व्यवस्थित करना होगा, ठीक वैसे ही जैसे छोटी कंचों को एक ग्रिड में रखना। चुनौती इन परमाणुओं को बिना विचलित किए हिलाने में निहित है। यदि परमाणुओं को पकड़ने और स्थानांतरित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले उपकरण बहुत धीमे हैं, तो प्रक्रिया में बहुत अधिक समय लगता है; यदि वे बहुत तेज़ हैं या अचानक बदलते हैं, तो परमाणु हिलकर ढीले हो सकते हैं या इतने गर्म हो सकते हैं कि वे उड़ जाएं। वर्षों से, वैज्ञानिक एक आदर्श संतुलन खोजने की कोशिश कर रहे हैं, जिससे इन हजारों परमाणुओं को एक साथ, किसी भी दिशा में, और इतनी गति से पुनर्व्यवस्थित किया जा सके कि नाजुक क्वांटम जानकारी सुरक्षित रहे।
हार्वर्ड यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं के एक दल ने अब एक ऐसी विधि का प्रदर्शन किया है जो इस संतुलन को प्राप्त करती है, जिससे वे एक सेकंड के अंश में लगभग दो हजार परमाणुओं को हिलाने और पुनर्गठित करने में सक्षम हैं। प्रकाश को होलोग्राम के रूप में आकार देने वाले एक विशेष उपकरण का उपयोग करके, उन्होंने एक ऐसी प्रणाली बनाई जो परमाणुओं को तीनों आयामों—ऊपर, नीचे और अगल-बगल—में एक साथ ले जाने में सक्षम है। उनकी सफलता की कुंजी यह खोज थी कि उन्हें अगले कमांड को भेजने से पहले प्रकाश-आकार देने वाले उपकरण को पूरी तरह से नई स्थिति में स्थिर होने का इंतजार करने की आवश्यकता नहीं थी। अपने उपकरण को उसकी सीमाओं तक धकेलकर और प्रकाश पैटर्न को पहले की तुलना में बहुत तेज़ी से अपडेट करके, वे परमाणुओं को खोए बिना उन्हें स्थानांतरित करने की गति को तीन गुना करने में सफल रहे।
शोधकर्ताओं ने 'स्पेशियल लाइट मॉड्यूलेटर' नामक एक उपकरण का उपयोग किया, जो एक डिजिटल मास्क की तरह कार्य करता है जो लेजर प्रकाश को विशिष्ट आकारों में मोड़ सकता है। इन आकारों को प्रक्षेपित करके, उन्होंने हजारों छोटे ट्रैप (जाल) बनाए, जिन्हें 'ऑप्टिकल ट्वीज़र्स' के रूप में जाना जाता है, जो इटरबियम (ytterbium) के व्यक्तिगत परमाणुओं को थामे रख सकते हैं। लक्ष्य परमाणुओं के एक यादृच्छिक संग्रह को लेकर उन्हें एक पूर्ण, व्यवस्थित जाली (lattice) में व्यवस्थित करना था। इसे करने के लिए, टीम को प्रत्येक यात्रा के चरण के लिए एक नया होलोग्राम उत्पन्न करना पड़ता था, जिससे प्रत्येक परमाणु को बताया जा सके कि उसे आगे कहाँ जाना है। पारंपरिक रूप से, वैज्ञानिकों का मानना था कि उन्हें प्रकाश-आकार देने वाले उपकरण के भीतर मौजूद लिक्विड क्रिस्टल्स के पूरी तरह से स्थिर होने का इंतजार करना होगा, जो लगभग 1.6 मिलीसेकंड का समय लेता था। इस स्थिरता के लिए प्रतीक्षा करना परमाणुओं को सुरक्षित रखने के लिए आवश्यक माना जाता था।
हालाँकि, टीम ने यह परीक्षण करने का निर्णय लिया कि यदि वे इस प्रतीक्षा अवधि को अनदेखा कर दें तो क्या होगा। उन्होंने उपकरण को हर 0.7 मिलीसेकंड में बदलने का आदेश दिया, जो इतना कम समय था कि अगला निर्देश आने तक लिक्विड क्रिस्टल्स अभी भी अपनी गति के बीच में ही थे। आश्चर्यजनक रूप से, परमाणु बाहर नहीं निकले। शोधकर्ताओं ने देखा कि जब अपडेट इतने तेज़ होते हैं, तो परमाणु थोड़े छोटे कदमों को सहन कर सकते हैं, लेकिन इससे परिवहन की समग्र गति नाटकीय रूप से बढ़ गई। अधिक बार और छोटे कदम उठाकर, उन्होंने परमाणुओं को पारंपरिक विधि की तुलना में तीन गुना तेज़ी से स्थानांतरित किया। इस निष्कर्ष ने इस धारणा को उलट दिया कि उपकरण के स्थिर होने का इंतजार करना अस्तित्व के लिए आवश्यक था, यह सिद्ध करते हुए कि परमाणु चलते हुए ट्रैप के साथ भी चल सकते हैं जबकि प्रकाश क्षेत्र अभी भी परिवर्तनशील अवस्था में है।
इस तीव्र गति को सफल बनाने के लिए, टीम को एक कम्प्यूटेशनल समस्या को भी हल करना पड़ा। हजारों परमाणुओं को हिलाने के लिए आवश्यक जटिल प्रकाश पैटर्न उत्पन्न करने में आमतौर पर समय लगता है, जिसके लिए अक्सर शक्तिशाली आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस मॉडल की आवश्यकता होती है जिन्हें डेटा की विशाल मात्रा पर प्रशिक्षित किया जाना चाहिए। शोधकर्ताओं ने एक नया गणितीय दृष्टिकोण विकसित किया जो बिना किसी प्रशिक्षण के वास्तविक समय में इन पैटर्न को उत्पन्न कर सकता है। इस पद्धति को, जिसे उन्होंने 'वॉर्म-स्टार्ट एल्गोरिदम' कहा, ने पिछले प्रकाश पैटर्न को अगले पैटर्न के लिए शुरुआती बिंदु के रूप में उपयोग किया, जिससे यह कुछ ही चरणों में सही समाधान तक पहुँच सका। इसने एक पूर्व-प्रशिक्षित कंप्यूटर मॉडल की आवश्यकता को समाप्त कर दिया, जिससे प्रणाली अधिक लचीली और विभिन्न व्यवस्थाओं के अनुकूल बनाना आसान हो गया।
इन तकनीकों को जोड़ते हुए, टीम ने 2,078 परमाणुओं के एक विशाल समूह को 'कागोम लैटिस' (kagome lattice) नामक एक विशिष्ट ज्यामितिक पैटर्न में सफलतापूर्वक व्यवस्थित किया, जिसमें 99 प्रतिशत की सफलता दर प्राप्त की। इसका अर्थ है कि ग्रिड के प्रत्येक हजार स्थानों में से, केवल दस स्थान खाली थे या गलत संख्या में परमाणुओं द्वारा भरे गए थे। केवल एक सपाट शीट में परमाणुओं को व्यवस्थित करने के अलावा, उन्होंने परमाणुओं को विभिन्न परतों के बीच ले जाने की क्षमता का भी प्रदर्शन किया, जिसमें कुछ परमाणुओं को दूसरे तल तक ऊपर उठाया गया और उन्हें नए आकार में व्यवस्थित किया गया। यह त्रि-आयामी नियंत्रण भविष्य के क्वांटम कंप्यूटरों के लिए महत्वपूर्ण है, जिन्हें अपने ऊपर एक के ऊपर एक विभिन्न प्रकार के प्रोसेसिंग ज़ोन रखने की आवश्यकता हो सकती है।
इस कार्य के निहितार्थ केवल परमाणुओं को तेज़ी से हिलाने से कहीं अधिक हैं। यह दिखाते हुए कि लिक्विड क्रिस्टल उपकरणों को पहले की तुलना में बहुत अधिक कठिन तरीके से चलाया जा सकता है, शोधकर्ताओं ने बड़े और अधिक जटिल क्वांटम सिमुलेशन के द्वार खोल दिए हैं। उन्होंने प्रदर्शित किया कि उनके दृष्टिकोण को मौजूदा प्रयोगात्मक सेटअपों में बिना किसी नए हार्डवेयर की आवश्यकता के अपनाया जा सकता है, जो यह सुझाव देता है कि अन्य प्रयोगशालाएं भी इन विधियों को जल्दी से अपना सकती हैं। हजारों परमाणुओं को इतनी सटीकता और गति से पुनर्व्यवस्थित करने की क्षमता बड़े पैमाने के क्वांटम सिम्युलेटर के दृष्टिकोण को वास्तविकता के करीब लाती है, जो उन सामग्रियों और भौतिकी के अध्ययन के लिए एक शक्तिशाली नया उपकरण प्रदान करती है जिनका अन्वेषण वर्तमान में असंभव है। यह कार्य इस बात का स्पष्ट प्रमाण है कि हमारे द्वारा उपयोग किए जाने वाले उपकरणों की सीमाओं को सावधानीपूर्वक समझकर, हम उन्हें उनकी सहज धारणा से कहीं आगे ले जा सकते हैं, जिससे क्वांटम दुनिया के नियंत्रण में नई क्षमताओं का मार्ग प्रशस्त होता है।
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