High-fidelity entanglement of two spectrally-distinct solid state emitters
यह शोध पत्र महत्वपूर्ण स्पेक्ट्रल और लाइनविड्थ भिन्नताओं वाले सॉलिड-स्टेट उत्सर्जकों के बीच उच्च-फिडेलिटी एंटैंगलमेंट (कन्करेंस 0.95) प्राप्त करने के लिए आसानी से उपलब्ध एंटैंगल्ड फोटोन का उपयोग करने वाली एक विधि प्रस्तुत करता है, जिससे उन वर्तमान प्रोटोकॉल की स्केलेबिलिटी सीमाओं को दूर किया जा सके जो ऑप्टिकली समान उत्सर्जकों की आवश्यकता रखते हैं।
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क्वांटम इंटरनेट बनाने की खोज एक मौलिक युक्ति पर टिकी है: अलग-अलग हार्डवेयर के टुकड़ों को इस तरह जोड़ना कि वे एक एकल, अदृश्य संबंध साझा करें जिसे 'एंटैंगलमेंट' (entanglement) कहा जाता है। उन दो दूर स्थित उपकरणों की कल्पना करें जो, एक बार जुड़ जाने के बाद, चाहे वे कितनी भी दूर हों, एक ही इकाई की तरह व्यवहार करते हैं। यह घटना भविष्य के क्वांटम नेटवर्क की रीढ़ है, जो हमारे गणना करने, दुनिया को महसूस करने और सुरक्षित रूप से संवाद करने के तरीके में क्रांति लाने का वादा करती है। इसे काम करने के योग्य बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को सॉलिड-स्टेट एमिटर्स (solid-state emitters)—जो पदार्थ के छोटे, ठोस टुकड़े हैं और प्रकाश के एकल कणों को उत्सर्जित करते हैं—को एक एकीकृत प्रणाली में जोड़ने की आवश्यकता है। चुनौती हमेशा यह रही है कि ये एमिटर 'स्नोफ्लेक' (हिमपात के कणों) की तरह हैं: कोई भी दो बिल्कुल एक जैसे नहीं होते। अत्यधिक सावधानी से निर्माण करने के बावजूद, वे स्वाभाविक रूप से थोड़े अलग आवृत्तियों (frequencies) पर कंपन करते हैं और उनके द्वारा उत्सर्जित प्रकाश के रंग की चौड़ाई (linewidths) में भी थोड़ा अंतर होता है। वर्षों तक, उन्हें जोड़ने की प्रचलित विधि के लिए इन नन्हे प्रकाश स्रोतों का पूरी तरह से एक समान होना आवश्यक था, एक ऐसी आवश्यकता जिसने इस तकनीक को बड़े पैमाने पर विकसित करना लगभग असंभव बना दिया था, क्योंकि इसके लिए लाखों दोषरहित, एक समान घटकों के निर्माण की मांग होती।
शेफील्ड विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने अब इस सख्त आवश्यकता को पूरी तरह से दरकिनार करने का एक तरीका प्रदर्शित किया है। एक नए अध्ययन में, उन्होंने दिखाया है कि कैसे दो ऐसे सॉलिड-स्टेट एमिटर्स को एंटैंगल किया जा सकता है जो स्पेक्ट्रली भिन्न (spectrally distinct) हैं, जिसका अर्थ है कि वे काफी अलग आवृत्तियों पर प्रकाश उत्सर्जित करते हैं और उनकी लाइनविड्थ (linewidths) भी अलग है। एमिटर्स को एक जैसा बनाने की कोशिश करने के बजाय, टीम ने दो एंटैंगल्ड फोटोन (entangled photons)—प्रकाश के वे कण जो पहले से ही एक-दूसरे से जुड़े हुए हैं—का उपयोग इस अंतर को पाटने के लिए किया। उन्होंने दो अलग-अलग एमिटर्स को 'मैक-ज़ेन्डर इंटरफेरोमीटर' (Mach-Zehnder interferometer) नामक उपकरण की दो अलग भुजाओं में रखा, जो एक जटिल ऑप्टिकल स्विचबोर्ड की तरह कार्य करता है। इस प्रणाली में, उन्होंने फोटोन का एक जोड़ा भेजा जो विशेष रूप से दोनों अलग-अलग एमिटर्स की अद्वितीय आवृत्तियों से मेल खाने के लिए ट्यून किया गया था। जोड़े में से एक फोटोन को पहले एमिटर के साथ अनुनाद (resonate) करने के लिए डिज़ाइन किया गया था, जबकि उसका साथी दूसरे एमिटर के साथ ट्यून किया गया था।
यह प्रक्रिया इस जानकारी को मिटाकर काम करती है कि प्रकाश किस पथ से गया था। जब एंटैंगल्ड फोटोन एमिटर्स के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, तो वे इस तरह से बिखरते हैं जो प्रत्येक एमिटर के विशिष्ट गुणों पर निर्भर करता है। हालाँकि, क्योंकि फोटोन को एक विशेष एंटैंगल्ड अवस्था में तैयार किया गया था, इसलिए सिस्टम को इस तरह डिज़ाइन किया गया है कि जब फोटोन डिवाइस से बाहर निकलते हैं और उनका पता लगाया जाता है, तो यह बताना असंभव हो जाता है कि वे किस एमिटर के साथ परस्पर क्रिया कर रहे थे। "व्हिच-पाथ" (which-path) जानकारी का यह अभाव ही मुख्य कुंजी है; यह दोनों एमिटर्स को एक साझा, एंटैंगल्ड अवस्था में जाने के लिए मजबूर करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह विधि तब भी काम करती है जब एमिटर्स की आवृत्तियों के बीच का अंतर बहुत अधिक हो—जो उनके उत्सर्जन लाइनों की प्राकृतिक चौड़ाई से कहीं अधिक है। अपने सिमुलेशन में, विशिष्ट क्वांटम डॉट्स का उपयोग करते हुए जिनकी आवृत्ति पृथक्करण 0.449 नैनोमीटर और लाइनविड्थ लगभग 25 से 29 पिकोमीटर थी, टीम ने 'कन्करेंस' (concurrence) नामक एंटैंगलमेंट का एक माप प्राप्त किया जो 0.95 था। यह मान अधिकतम संभव मान के बहुत करीब है, जो एक अत्यधिक सफल जुड़ाव का संकेत देता है।
महत्वपूर्ण रूप से, यह अध्ययन दर्शाता है कि एंटैंगलमेंट का यह उच्च स्तर तब भी बना रहता है जब एमिटर्स एक समान नहीं होते हैं, बशर्ते कि इनपुट फोटोन 'नैरोबैंड' (narrowband) हों, जिसका अर्थ है कि उनका आवृत्ति रेंज बहुत सटीक और सीमित हो। टीम ने गणना की कि जब तक फोटोन अपने संबंधित एमिटर के रेजोनेंस (अनुनाद) के लिए ट्यून किए जाते हैं, तब तक सिस्टम एक ही पास (single pass) में एक मैक्सिमली एंटैंगल्ड अवस्था उत्पन्न कर सकता है। यह निष्कर्ष पिछले उस अनुमान को सीधे चुनौती देता है जिसमें माना जाता था कि अलग-अलग एमिटर्स को एंटैंगल करने के लिए उनकी स्पेक्ट्रल लाइनों का ओवरलैप होना या उन्हें जटिल ट्यूनिंग के माध्यम से एक समान बनाना आवश्यक है। शोधकर्ताओं का तर्क है कि उनका दृष्टिकोण दोषरहित, एक समान एमिटर्स बनाने के कठिन इंजीनियरिंग कार्य की आवश्यकता को समाप्त कर देता है, जो स्केलेबल क्वांटम डिवाइस बनाने में एक बड़ी बाधा रहा है। आसानी से उपलब्ध एंटैंगल्ड फोटोन के जोड़ों का उपयोग करके कनेक्शन को मध्यस्थ बनाने की यह विधि, विविध और अपूर्ण सॉलिड-स्टेट घटकों को एक कार्यात्मक क्वांटम नेटवर्क में एकीकृत करने के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करती है। परिणाम बताते हैं कि विनिर्माण में निहित विविधताएं, जिन्हें लंबे समय से एक दोष माना जाता रहा है, उन्हें उन अंतरों को खत्म करने के बजाय उन अंतरों के इर्द-गिर्द प्रोटोकॉल को डिजाइन करके दूर किया जा सकता है।
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