Quantum-Nondemolition Probing of Multiphoton Transitions between Dressed States in a Strongly Driven Jaynes--Cummings System

क्वांटम दुनिया में, प्रकाश और पदार्थ केवल एक-दूसरे से टकराकर नहीं लौटते; वे इतने गहराई से एक-दूसरे में गुंथ सकते हैं कि वे अलग-अलग संस्थाएं रहना छोड़ देते हैं। इस घटना को जेन्स-कमिंग्स मॉडल (Jaynes–Cummings model) नामक एक प्रसिद्ध मॉडल द्वारा वर्णित किया गया है, जो एक ब्लूप्रिंट के रूप में कार्य करता है कि कैसे एक एकल परमाणु प्रकाश के एक एकल कण, या फोटॉन के साथ परस्पर क्रिया करता है। जब वे एक साथ जुड़ते हैं, तो वे नई, हाइब्रिड अवस्थाएँ बनाते हैं जिन्हें 'ड्रेस्ड स्टेट्स' (dressed states) कहा जाता है। कल्पना कीजिए कि ये ऊर्जा स्तरों की एक सीढ़ी की तरह हैं, जहाँ प्रत्येक पायदान परमाणु और प्रकाश क्षेत्र का एक विशिष्ट संयोजन है। वैज्ञानिक लंबे समय से इस सीढ़ी के पहले कुछ पायदानों को देखने में सक्षम रहे हैं, लेकिन जैसे ही वे ऊपर चढ़ने की कोशिश करते हैं, दृश्य धुंधला हो जाता है। सिस्टम को दृश्यमान बनाने के लिए उस पर बहुत तेज़ रोशनी डालने की क्रिया अक्सर एक ऐसी चकाचौंध पैदा करती है जो सीढ़ी में ऊपर स्थित सूक्ष्म, जटिल चरणों को छिपा देती है।

चीन के विज्ञान और प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने अब इस चकाचौंध से परे देखने का एक तरीका खोज लिया है। सिस्टम को उत्तेजित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले प्रकाश को उसे प्रेक्षण (observe) करने के तरीके से अलग करके, वे उन समृद्ध संक्रमणों (transitions) की संरचना को स्पष्ट करने में सफल रहे हैं जो पहले अदृश्य थे। उनका कार्य प्रकट करता है कि ये हाइब्रिड अवस्थाएँ मजबूत बलों द्वारा धकेले जाने पर कैसे व्यवहार करती हैं, जिससे ऊर्जा उछालों का एक जटिल परिदृश्य सामने आता है जिसमें वे चरण भी शामिल हैं जिन्हें पहले वर्जित या बहुत मंद माना जाता था। यह सफलता इस बात की एक स्पष्ट खिड़की प्रदान करती है कि सूक्ष्म स्तरों पर प्रकाश और पदार्थ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, इसके मूल नियमों को समझने के लिए।

यह प्रयोग एक सर्किट क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स सेटअप में आयोजित किया गया था, जो एक ऐसा प्लेटफॉर्म है जहाँ एक सुपरकंडक्टिंग कृत्रिम परमाणु, जिसे ट्रांसमोन क्वबिट (transmon qubit) कहा जाता है, एक माइक्रोवेव कैविटी से जुड़ा होता है। पारंपरिक प्रयोगों में, वैज्ञानिक कैविटी में एक माइक्रोवेव सिग्नल भेजते हैं ताकि सिस्टम को संचालित किया जा सके और फिर जो सिग्नल दूसरी ओर से बाहर आता है उसे मापते हैं। इस दृष्टिकोण के साथ समस्या यह है कि मजबूत ड्राइविंग सिग्नल एक भारी बैकग्राउंड शोर पैदा करता है, ठीक वैसे ही जैसे किसी कमरे में तेज़ पंखा चलने पर फुसफुसाहट सुनने की कोशिश करना। यह शोर सिस्टम की उच्च ऊर्जा अवस्थाओं से आने वाले नाजुक संकेतों को दबा देता है। इसे हल करने के लिए, टीम ने एक नया दृष्टिकोण तैयार किया जहाँ ड्राइविंग सिग्नल और मेजरमेंट सिग्नल पूरी तरह से अलग चैनलों के माध्यम से यात्रा करते हैं। उन्होंने कैविटी को चलाने के लिए एक मजबूत माइक्रोवेव टोन का उपयोग किया, जबकि साथ ही एक अलग, स्वतंत्र रेज़ोनेटर का उपयोग क्वबिट की अवस्था को बिना बाधित किए पढ़ने के लिए किया। यह तकनीक, जिसे क्वांटम-नॉनडेमोलिशन रीडआउट (quantum-nondemolition readout) कहा जाता है, उन्हें कैविटी के मजबूती से संचालित होने के दौरान भी उच्च संवेदनशीलता के साथ क्वबिट की उपस्थिति का पता लगाने की अनुमति देती है, जो प्रभावी रूप से बैकग्राउंड शोर को शांत कर देती है।

इस पद्धति का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने अभूतपूर्व स्पष्टता के साथ सिस्टम के ऊर्जा परिदृश्य का मानचित्रण किया। उन्होंने तीखे, स्पष्ट शिखर (peaks) की एक श्रृंखला की पहचान की जो मल्टीफोटॉन ट्रांज़िशन (multiphoton transitions) के अनुरूप हैं, जहाँ सिस्टम एक ड्रेस्ड स्टेट से दूसरी में कूदने के लिए एक साथ कई फोटॉन अवशोषित करता है। अतीत में, ये संक्रमण अक्सर एक एकल, व्यापक विशेषता में मिल जाते थे या ड्राइव सिग्नल द्वारा पूरी तरह से छिप जाते थे। नई तकनीक ने खुलासा किया कि ये विशेषताएं वास्तव में उन अवस्थाओं के बीच के संक्रमण हैं जो समान समरूपता (symmetry), या पैरिटी (parity) साझा करती हैं। इसके अलावा, टीम ने विपरीत समरूपता वाली अवस्थाओं के बीच और भी कमजोर संक्रमणों का पता लगाया, जो आमतौर पर दमित होते हैं और अत्यंत कठिन होते हैं। ये निष्कर्ष पुष्टि करते हैं कि सिस्टम केवल एक साधारण दो-स्तरीय परमाणु नहीं है बल्कि एक जटिल, बहु-स्तरीय संरचना है जहाँ थर्मल ऊर्जा इन संक्रमणों के शुरुआती बिंदुओं को भरने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है।

अध्ययन में यह भी खोजा गया कि क्या होता है जब शोधकर्ता जानबूझकर क्वबिट की आवृत्ति को कैविटी से डिट्यून (detune) कर देते हैं। चुंबकीय फ्लक्स के माध्यम से क्वबिट की आवृत्ति को समायोजित करके, वे देख सके कि ऊर्जा स्तर कैसे स्थानांतरित होते हैं और परस्पर क्रिया करते हैं। उन्होंने 'अवॉइड क्रॉसिंग्स' (avoided crossings) देखे, जहाँ ऊर्जा स्तर एक-दूसरे के करीब आते हैं लेकिन आपस में कटने के बजाय एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं, जो क्वांटम इंटरेक्शन की एक पहचान है। इन स्थितियों में, उन्होंने क्वबिट की दूसरी उत्तेजित अवस्था से जुड़े संक्रमण देखे, जो एक ऐसा स्तर है जो आमतौर पर मुख्य गतिविधि से दूर होता है। डेटा ने दिखाया कि इन संक्रमणों की शक्ति इस बात पर निर्भर करती है कि ड्रेस्ड स्टेट में क्वबिट और फोटॉन का विशिष्ट मिश्रण क्या है। शोधकर्ता अपने प्रयोगात्मक अवलोकनों को उन सैद्धांतिक गणनाओं के साथ पूरी तरह से मिलाने में सक्षम रहे जिनमें क्वबिट के कई ऊर्जा स्तरों और क्वबिट एवं कैविटी के बीच आवृत्ति के छोटे, अवशिष्ट अंतरों के प्रभाव शामिल थे।

इस कार्य का सबसे महत्वपूर्ण पहलू तापमान की भूमिका है। प्रयोग के अत्यंत निम्न तापमान, परम शून्य (absolute zero) के करीब होने के बावजूद, थोड़ी मात्रा में थर्मल ऊर्जा शेष रहती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह छोटी थर्मल आबादी उत्तेजित अवस्थाओं से शुरू होने वाले संक्रमणों को देखने के लिए आवश्यक है। इस थर्मल "धक्के" के बिना, कई दिलचस्प विशेषताएं अदृश्य ही रहतीं। इसे ध्यान में रखते हुए, वे स्पेक्ट्रम के केंद्र के पास देखी गई व्यापक गतिविधियों की पट्टियों (bands) को उच्च और उच्च ऊर्जा स्तरों से शुरू होने वाले ओवरलैपिंग संक्रमणों के एक संग्रह के रूप में समझा सके। यह अंतर्दृष्टि इन विशेषताओं की प्रकृति के बारे में पिछले भ्रम को सुलझाने में मदद करती है, जिन्हें बिस्टेबिलिटी (bistability) या फोटॉन ब्लॉकेड ब्रेकडाउन जैसे अन्य प्रभावों के लिए जिम्मेदार माना जाता था।

इन संक्रमणों को हल करने की क्षमता, दृढ़ता से संचालित होने वाली प्रकाश-पदार्थ अंतःक्रियाओं के अध्ययन के लिए एक नया मार्ग खोलती है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि ड्राइव और रीडआउट को अलग करके, वे उन विवरणों को देख सकते थे जो पहले धुंधले हो गए थे, जिसमें एक ही जंप में सात से अधिक फोटॉन के संक्रमण भी शामिल हैं। विवरण का यह स्तर जेन्स-कमिंग्स सीढ़ी को अधिक सटीक समझ प्रदान करता है। कार्य यह सुझाव देता है कि माप की गति और बैंडविड्थ में और सुधार के साथ, व्यक्तिगत क्वांटम जंप्स को वास्तविक समय में देखना संभव हो सकता है, जिससे यह ट्रैक किया जा सके कि सिस्टम एक अवस्था से दूसरी अवस्था में कैसे जाता है। यह इन ड्रेस्ड स्टेट्स की सूक्ष्म गतिशीलता को बड़े पैमाने की घटनाओं से जोड़ेगा, जिससे दृढ़ ड्राइविंग बलों के तहत क्वांटम सिस्टम के व्यवहार की गहरी समझ मिलेगी। यह अध्ययन क्वांटम सिस्टमों में जटिलता की परतों को हटाने के लिए प्रयोगात्मक तकनीकों को परिष्कृत करने की शक्ति के प्रमाण के रूप में खड़ा है, जो एक ऐसी संरचनात्मक दुनिया को प्रकट करता है जो हमेशा वहीं थी, बस देखे जाने की प्रतीक्षा कर रही थी।