Trapped-ion-based quantum repeater node across a 17 km metropolitan fiber
यह शोध पत्र एक ट्रैप्ड-आयन क्वांटम रिपीटर नोड को प्रदर्शित करता है जिसने 17 किमी के महानगरीय फाइबर पर 81.6% की बेल-स्टेट फिडेलिटी के साथ फोटोनिक एंटैंगलमेंट को सफलतापूर्वक स्थापित किया है, जो मौजूदा शहर-स्तरीय बुनियादी ढांचे पर ऐसी तकनीक को संचालित करने की व्यवहार्यता को सिद्ध करता है।
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एक वैश्विक क्वांटम इंटरनेट का सपना एक सरल लेकिन कठिन विचार पर आधारित है: नाजुक क्वांटम सूचना को बिना खोए विशाल दूरियों तक भेजना। शास्त्रीय दुनिया में, हम फाइबर-ऑप्टिक केबलों के माध्यम से प्रकाश के स्पंदों (pulses) के रूप में डेटा भेजते हैं, और यदि सिग्नल बहुत कमजोर हो जाता है, तो हम इसे बस एम्प्लीफाई (बढ़ा) कर देते हैं। लेकिन क्वांटम सूचना अलग है। यह व्यक्तिगत कणों की नाजुक अवस्थाओं में एनकोडेड होती है, और भौतिकी के नियम हमें इन अवस्थाओं को नष्ट किए बिना उनकी नकल करने या उन्हें एम्प्लीफाई करने से रोकते हैं। शहरों या महाद्वीपों तक फैले नेटवर्क के निर्माण के लिए, वैज्ञानिकों को 'क्वांटम रिपीटर' नामक एक अलग रणनीति का उपयोग करना होगा। एक ही सिग्नल को पूरी दूरी तक भेजने की कोशिश करने के बजाय, नेटवर्क को छोटे खंडों में विभाजित किया जाता है। प्रत्येक पड़ाव पर, एक विशेष उपकरण अपने और अपने पड़ोसियों के बीच "एंटैंगलमेंट" (entanglement) का एक लिंक बनाता है—जो कणों के बीच एक गहरा, अदृश्य संबंध है। इन खंडों को एक साथ जोड़कर, नेटवर्क पूरे अंतर तक इस जुड़ाव को फैला सकता है। चुनौती इन रिपीटर स्टेशनों को केवल नियंत्रित प्रयोगशाला वातावरणों में, जहाँ स्थितियाँ आदर्श होती हैं, बनाने के बजाय वास्तविक दुनिया के बुनियादी ढांचे का उपयोग करके बनाने की रही है।
इन्सब्रुक, ऑस्ट्रिया के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इसे वास्तविकता बनाने की दिशा में एक बड़ा कदम उठाया है। उन्होंने ट्रैप्ड आयन्स (trapped ions)—जो विद्युत क्षेत्रों द्वारा स्थिर रखे गए एकल परमाणु हैं—का उपयोग करके एक कार्यात्मक क्वांटम रिपीटर नोड बनाया और इसे एक फाइबर-ऑप्टिक केबल से जोड़ा जो वास्तव में एक शहर के माध्यम से चलती है। इस प्रयोग में मौजूदा नगरपालिका फाइबर के 17 किलोमीटर लंबे हिस्से के माध्यम से क्वांटम संकेतों को भेजना शामिल था, जो इंसब्रुक से होकर गुजरता है और एक उपनगर तक जाता है। यह पिछले प्रयोगों से एक महत्वपूर्ण विचलन है, जो आमतौर पर लैब के भीतर रखे फाइबर के छोटे कॉइल्स का उपयोग करते थे। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि उनका उपकरण शहर में पता लगाए गए एक फोटॉन और उनकी प्रयोगशाला में पता लगाए गए दूसरे फोटॉन के बीच एक क्वांटम लिंक सफलतापूर्वक स्थापित कर सकता है, जिससे यह सिद्ध होता है कि यह तकनीक नियंत्रित वातावरण की सुरक्षा के बाहर भी कार्य कर सकती है।
उनके उपकरण का केंद्र एक छोटा कक्ष है जिसमें दो कैल्शियम आयन होते हैं। ये आयन नेटवर्क के लिए मेमोरी और प्रोसेसर के रूप में कार्य करते हैं। शोधकर्ताओं ने आयनों को नियंत्रित करने के लिए लेजर का उपयोग किया, जिससे वे एकल फोटॉन उत्सर्जित करते हैं, जो प्रकाश के कण हैं। इनमें से एक फोटॉन को एक स्थानीय डिटेक्टर तक जाने वाले छोटे फाइबर में भेजा गया, जबकि दूसरे को लंबी दूरी की यात्रा के लिए उपयुक्त प्रकाश के अलग रंग में परिवर्तित किया गया और एक रिमोट डिटेक्टर तक 17 किलोमीटर लंबे शहर के केबल के माध्यम से भेजा गया। सिस्टम ने फोटॉन भेजने के प्रयास को तब तक दोहराया जब तक कि दूर छोर पर एक फोटॉन सफलतापूर्वक डिटेक्ट नहीं हो गया। एक बार जब दोनों फोटॉन डिटेक्ट हो गए, तो शोधकर्ताओं ने लैब के भीतर दो आयनों पर एक विशिष्ट माप किया। यह माप, जिसे बेल-स्टेट मेजरमेंट (Bell-state measurement) कहा जाता है, प्रभावी रूप से कनेक्शन को बदल देता है, जिससे उन दो फोटॉनों के बीच सीधा एंटैंगलमेंट पैदा होता है जो कभी मिले ही नहीं थे, जिनमें से एक ने शहर के माध्यम से यात्रा की थी।
परिणामों ने दिखाया कि सिस्टम उच्च विश्वसनीयता के साथ काम करता है। टीम ने दो फोटॉनों के बीच कनेक्शन की गुणवत्ता को मापा और पाया कि इसकी फिडेलिटी (fidelity) 81.6 प्रतिशत थी, जिसका अर्थ है कि वास्तविक दुनिया के केबल के माध्यम से यात्रा करने के बावजूद क्वांटम अवस्था उच्च सटीकता के साथ संरक्षित रही। प्रदर्शन का यह स्तर पुष्टि करता है कि ट्रैप्ड-आयन तकनीक तैनात बुनियादी ढांचे की खामियों को संभालने के लिए पर्याप्त मजबूत है। शोधकर्ताओं ने फाइबर का भी सावधानीपूर्वक विश्लेषण किया, यह मापते हुए कि प्रकाश यात्रा करते समय उसका ध्रुवीकरण (polarization) कैसे बदलता है और स्ट्रीटलाइट्स या अन्य स्रोतों से कितना बैकग्राउंड शोर केबल में लीक हुआ। उन्होंने पाया कि हालांकि फाइबर ने सिग्नल के नुकसान और प्रकाश के ओरिएंटेशन में कुछ धीमी बदलावों को पेश किया, लेकिन इन प्रभावों को प्रबंधित और सुधारा जा सकता था। बैकग्राउंड शोर को सफलतापूर्वक फ़िल्टर कर दिया गया था, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि उनके द्वारा डिटेक्ट किए गए सिग्नल वास्तव में उनके आयनों से थे न कि बाहरी हस्तक्षेप से।
यह प्रयोग यह दावा नहीं करता है कि इसने वैश्विक क्वांटम नेटवर्क की सभी समस्याओं को हल कर लिया है, लेकिन यह एक महत्वपूर्ण बात सिद्ध करता है: तकनीक अराजक, वास्तविक दुनिया में काम कर सकती है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि सफलता दर मुख्य रूप से उनके उपकरणों की दक्षता और फाइबर कनेक्शनों में होने वाले नुकसानों से सीमित थी, न कि पद्धति में किसी मौलिक दोष के कारण। उन्होंने देखा कि आयनों के भीतर की मेमोरी ने क्वांटम सूचना को प्रक्रिया पूरी करने के लिए पर्याप्त समय तक बनाए रखा, यहाँ तक कि दूरी के कारण होने वाली मामूली देरी के बावजूद। अध्ययन सुझाव देता है कि फोटॉन जनरेशन की दक्षता और फिल्टर की गुणवत्ता में और सुधार के साथ, इन कनेक्शनों की गति काफी बढ़ सकती है। यह कार्य एक ठोस ब्लूप्रिंट प्रदान करता है कि भविष्य के क्वांटम नेटवर्क कैसे बनाए जा सकते हैं, जिसमें पूरी तरह से नए भौतिक बुनियादी ढांचे की आवश्यकता के बजाय हमारे शहरों में पहले से मौजूद फाइबर-ऑप्टिक केबल्स के विशाल जाल का उपयोग किया जा सकता है।
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