Pure dephasing destroys two-photon amplitude, not nonlinear phase

एक नए प्रकार के कंप्यूटर के निर्माण की खोज में, जो बिजली के बजाय प्रकाश का उपयोग करता है, वैज्ञानिक व्यक्तिगत फोटॉन, या प्रकाश के कणों को एक-दूसरे से बात करने के तरीके खोजने की कोशिश कर रहे हैं। सामान्य तौर पर, प्रकाश की किरणें एक-दूसरे के माध्यम से बिना किसी परस्पर क्रिया के गुजर जाती हैं, जैसे दो कारें समानांतर राजमार्गों पर चल रही हों। हालाँकि, एक प्रोसेसर बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को इन प्रकाश कणों को एक-दूसरे को प्रभावित करने की आवश्यकता है, जिससे एक ऐसा स्विच बन सके जो दूसरे की उपस्थिति के आधार पर सिग्नल को चालू या बंद कर सके। इसे प्राप्त करने का एक आशाजनक तरीका एक सूक्ष्म चैनल के भीतर रखा गया एक छोटा, कृत्रिम परमाणु, जिसे क्वांटम उत्सर्जक (क्वांटम एमिटर) कहा जाता है, का उपयोग करना है जो प्रकाश का मार्गदर्शन करता है। जब एक एकल फोटॉन इस उत्सर्जक से टकराता है, तो इसे अवशोषित और पुन: उत्सर्जित किया जा सकता है, लेकिन एक महत्वपूर्ण मोड़ के साथ: यह प्रकाश की तरंग के आकार को उलट देता है, प्रभावी रूप से एक सकारात्मक शिखर को नकारात्मक में बदल देता है। यह फ्लिप (उलटना) प्रकाश के चरण (फेज) में एक विशिष्ट परिवर्तन है, जो यह निर्धारित करता है कि तरंगें एक-दूसरे के साथ कैसे संरेखित होती हैं। यदि यह प्रणाली पूरी तरह से काम करती है, तो यह क्वांटम नेटवर्क के लिए एक मौलिक निर्माण खंड के रूप में कार्य कर सकती है, जिससे प्रकाश के साथ जटिल गणनाएं की जा सकेंगी।

चुनौती यह है कि वास्तविक दुनिया अव्यवस्थित है। इन प्रयोगों में उपयोग किए जाने वाले कृत्रिम परमाणु ठोस-अवस्था (सॉलिड-स्टेट) उपकरण हैं, जिसका अर्थ है कि वे उन सामग्रियों से बने हैं जो अपने वातावरण के कारण लगातार झनझनाहट और कंपन कर रहे हैं। ये कंपन परमाणु को उसकी आंतरिक लय खोने का कारण बनते हैं, जिसे वैज्ञानिक 'प्योर डीफेजिंग' (शुद्ध विरूपण) कहते हैं। वर्षों तक, सिद्धांतकारों ने माना कि लय की यह हानि केवल नाजुक चरण परिवर्तन (फेज फ्लिप) को धुंधला कर देगी, जिससे स्विच कम प्रभावी हो जाएगा या फ्लिप का कोण बदल जाएगा। प्रचलित चिंता यह थी कि जैसे-जैसे वातावरण अधिक शोर वाला होगा, प्रकाश की तरंग का सटीक समय भटक जाएगा, जिससे लॉजिक गेट खराब हो जाएगा। यह अनिश्चितता विश्वसनीय क्वांटम नेटवर्क डिजाइन करने के लिए एक बड़ी बाधा रही है, क्योंकि इंजीनियरों को यह जानने की आवश्यकता है कि क्या ये घटक वास्तविक दुनिया की स्थितियों में टिक पाएंगे।

क्वीन्स यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक सटीक सैद्धांतिक जांच के साथ इस प्रश्न को सुलझा लिया है। उन्होंने ठीक से गणना की कि जब दो फोटॉन वाला प्रकाश का एक पल्स एक शोर वाले, कंपन करने वाले उत्सर्जक से टकराता है तो क्या होता है। उनका कार्य एक आश्चर्यजनक सत्य प्रकट करता है: शोर चरण परिवर्तन (फेज फ्लिप) को बिल्कुल भी धुंधला नहीं करता है। इसके बजाय, चरण परिवर्तन बिल्कुल उसी कोण पर लॉक रहता है, चाहे उत्सर्जक कितना भी झनझना क्यों न रहा हो। शोर तरंग को घुमाता नहीं है; यह केवल तरंग को छोटा बनाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि जबकि चरण की जानकारी ले जाने वाले सिग्नल की शक्ति शोर बढ़ने के साथ कम हो जाती है, सिग्नल की दिशा पूरी तरह से स्थिर रहती है। चरण स्थिर (पिन्ड) है, घूमता नहीं है।

यह खोज कि हम इन प्रणालियों की विफलता को कैसे समझते हैं, इसे बदल देती है। यह पता चलता है कि समस्या सही तर्क की हानि नहीं है, बल्कि सिग्नल के आयतन (वॉल्यूम) की हानि है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि शोर आयाम (एम्प्लीट्यूड) को नष्ट करता है, जो प्रकाश तरंग की ऊंचाई या शक्ति है, न कि चरण को, जो तरंग का समय है। एक आदर्श दुनिया में, यदि प्रणाली दोषपूर्ण हो, तो एक फोटॉन और दो फोटॉन दोनों को समान मात्रा में मंद कर दिया जाएगा। हालाँकि, अध्ययन में पाया गया कि शोर उनके साथ अलग व्यवहार करता है। दो-फोटॉन वाला सिग्नल, एकल-फोटॉन सिग्नल की तुलना में शोर में बहुत बेहतर तरीके से जीवित रहता है। इसका मतलब है कि प्रणाली केवल शांत नहीं होती है; यह अपना चरित्र बदल लेती है। एक फोटॉन बनाम दो फोटॉन के प्रति सिस्टम के व्यवहार के बीच का संतुलन उस तरह से बदल जाता है जिसे मशीन के नॉबों को समायोजित करके ठीक नहीं किया जा सकता है।

शोधकर्ताओं ने अपने नए गणितीय सूत्रों की तुलना एक अलग, अत्यधिक विस्तृत सिमुलेशन पद्धति के विरुद्ध करके अपने निष्कर्षों को मान्य किया जो सिस्टम की प्रत्येक संभावित अवस्था को ट्रैक करती है। दोनों विधियाँ पूरी तरह से सहमत हुईं, जिससे पुष्टि हुई कि उनके नए सूत्र सही हैं। उन्होंने अपने परिणामों की तुलना पुराने सिद्धांतों से भी की जिनमें शोर बिल्कुल नहीं था, और पाया कि जब शोर बंद था तो उनका नया दृष्टिकोण उन पुराने परिणामों से मेल खाता था। यह उन्हें अपने शोर वाले सिस्टम के वर्णन के प्रति उच्च विश्वास देता है। उनके कार्य का एक प्रमुख हिस्सा दो फोटॉन के व्यवहार की गणना करने के तरीके में एक सामान्य गलती को सुधारना था। पिछले तरीकों ने माना था कि दो फोटॉन के व्यवहार की भविष्यवाणी केवल दो एकल फोटॉन के व्यवहार को गुणा करके की जा सकती है। शोधकर्ताओं ने सिद्ध किया कि शोर के प्रवेश करते ही यह धारणा टूट जाती है, जिससे फोटॉन जोड़ों के जीवित रहने की भविष्यवाणी करने में महत्वपूर्ण त्रुटियां होती हैं।

बनाए जाने वाले क्वांटम कंप्यूटरों के लिए इसके निहितार्थ गहरे हैं। क्योंकि चरण बिल्कुल सही रहता है भले ही सिग्नल कमजोर हो जाए, इसलिए स्विच के मौलिक तर्क को संरक्षित किया जाता है। हालाँकि, तथ्य यह है कि सिग्नल की ताकत गिर जाती है और एकल तथा दोहरे फोटॉन अलग-अलग तरह से प्रभावित होते हैं, जिसका अर्थ है कि इंजीनियरों को शोर को प्रकाश के सामान्य मंद होने के रूप में नहीं मानना चाहिए। उन्हें अलग-अलग संख्या में फोटॉन को संभालने में होने वाले विशिष्ट विरूपण को ध्यान में रखना होगा। यह विरूपण सामग्री और वातावरण का एक निश्चित गुण है, जिसका अर्थ है कि इसे सॉफ्टवेयर द्वारा प्रशिक्षित या सुधारा नहीं जा सकता है। शोधकर्ता निष्कर्ष निकालते हैं कि हालांकि फेज गेट समय के संदर्भ में इच्छित रूप से काम करता है, इसकी कीमत कंट्रास्ट (स्पष्टता) की हानि है, जहाँ सिग्नल को बैकग्राउंड से अलग करना कठिन हो जाता है। यह अंतर्दृष्टि भविष्य के डिजाइनों के लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करती है, जो यह दिखाती है कि ध्यान चरण को ठीक करने के बजाय सिग्नल की शक्ति के असमान नुकसान को प्रबंधित करने पर केंद्रित होना चाहिए।