Long-lived quantum memories with rare-earth ions doped in crystals

कल्पना कीजिए एक ऐसी दुनिया की जहाँ सूचना तारों में बहने वाली विद्युत धाराओं द्वारा नहीं, बल्कि प्रकाश के व्यक्तिगत कणों द्वारा ले जाई जाती है। ये कण, जिन्हें फोटॉन कहा जाता है, एक नए प्रकार के इंटरनेट के लिए आदर्श संदेशवाहक हैं जो अटूट सुरक्षा और अभूतपूर्व कंप्यूटिंग शक्ति का वादा करता है। हालाँकि, प्रकाश में एक घातक दोष है: इसे रोका नहीं जा सकता। एक बार जब एक फोटॉन को फाइबर ऑप्टिक केबल में भेजा जाता है, तो यह तब तक यात्रा करता है जब तक कि वह खो न जाए या अवशोषित न हो जाए। यह प्रतीक्षा नहीं कर सकता। यह एक वैश्विक नेटवर्क बनाना असंभव बना देता है, क्योंकि दूरी के साथ संकेत कमजोर हो जाते हैं, और एक पारंपरिक संकेत के विपरीत जिसे कॉपी और बूस्ट किया जा सकता है, एक क्वांटम संकेत को उसकी नाजुक जानकारी को नष्ट किए बिना कॉपी नहीं किया जा सकता है। इस समस्या को हल करने के लिए, वैज्ञानिकों को एक उड़ते हुए फोटॉन को पकड़ने, उसे स्थिर रखने और बाद में उसे बिल्कुल वैसा ही छोड़ने का तरीका चाहिए। इस उपकरण को 'क्वांटम मेमोरी' कहा जाता है। यह प्रकाश के लिए एक 'पॉज़ बटन' (विराम बटन) की तरह कार्य करता है, जिससे नेटवर्क को अपने संचालन को सिंक्रोनाइज़ करने और अपनी पहुंच महाद्वीपों तक बढ़ाने की अनुमति मिलती है।

वर्षों से, शोधकर्ता इस 'पॉज़ बटन' के रूप में कार्य करने के लिए एक आदर्श सामग्री की तलाश कर रहे हैं। उन्हें कुछ ऐसा चाहिए था जो ठोस हो, जिससे निर्माण करना आसान हो, और जो क्वांटम अवस्था को लंबे समय तक बिना फीके पड़े बनाए रख सके। क्रिस्टल की दुनिया से एक आशाजनक उम्मीदवार सामने आया है: दुर्लभ-पृथ्वी आयन (rare-earth ions)। ये यूरोपियम या प्रेसोडायमियम जैसे तत्वों के परमाणु हैं जिन्हें एक क्रिस्टल लैटिस में स्थापित किया गया है। इन परमाणुओं की अनूठी विशेषता यह है कि उनकी बाहरी परतें एक ढाल की तरह कार्य करती हैं, जो उनके आंतरिक इलेक्ट्रॉनों को क्रिस्टल के शोर भरे वातावरण से बचाती हैं। यह सुरक्षा उन्हें आश्चर्यजनक रूप से लंबे समय तक अपनी क्वांटम अवस्था को थामे रखने की अनुमति देती है। फिर भी, इस प्राकृतिक ढाल के बावजूद, वातावरण हस्तक्षेप करता है। चुंबकीय क्षेत्रों में सूक्ष्म उतार-चढ़ाव, जो क्रिस्टल में परमाणुओं की यादृच्छिक गति या पृथ्वी के अपने चुंबकीय क्षेत्र के कारण होते हैं, संग्रहीत सूचना को अस्त-व्यस्त और गायब कर देते हैं।

चीन के विज्ञान और प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं के एक दल ने अब इस हस्तक्षेप को नियंत्रित करने की दिशा में एक बड़ा कदम उठाया है। हाल के प्रयोगों की एक व्यापक समीक्षा में, वे वर्णन करते हैं कि कैसे शोधकर्ताओं ने इन क्वांटम मेमोरीज के जीवन को सेकंडों से बढ़ाकर मिनटों में, और कुछ मामलों में, घंटों में पहुँचाने में सफलता प्राप्त की है। इस सफलता की कुंजी दो चतुर रणनीतियों में निहित है। पहला, उन्होंने एक विशिष्ट चुंबकीय क्षेत्र शक्ति की पहचान की जहाँ परमाणु स्वाभाविक रूप से चुंबकीय शोर के प्रति प्रतिरोधी हो जाते हैं। यह ऐसा है जैसे परमाणु एक ऐसे "स्वीट स्पॉट" (अनुकूल बिंदु) को पा लेते हैं जहाँ चुंबकीय खिंचाव और दबाव एक-दूसरे को पूरी तरह से संतुलित कर देते हैं। दूसरा, जब परमाणु विचलित होने लगते हैं, तो शोधकर्ता रेडियो-फ्रीक्वेंसी पल्स की एक तीव्र श्रृंखला लागू करते हैं। ये पल्स एक कोमल धक्के की तरह कार्य करते हैं, जो परमाणुओं को अपना रास्ता भटकने से पहले लगातार पुनर्गठित करते हैं, जिससे सूचना प्रभावी रूप से एक ही स्थान पर जम जाती है।

इस कार्य के परिणामों को तीन अलग-अलग तरीकों से मापा जाता है, जिनमें से प्रत्येक कठिनाई के एक अलग स्तर का प्रतिनिधित्व करता है। पहला माप "स्पिन कोहेरेंस टाइम" (spin coherence time) है, जो सरल शब्दों में यह है कि परमाणु आपस में अलग होने से पहले कितनी देर तक अपने क्वांटम संरेखण को बनाए रख सकते हैं। यूरोपियम आयनों से युक्त क्रिस्टल का उपयोग करके और चुंबकीय स्वीट स्पॉट के साथ पुनर्गठित पल्स लागू करके, शोधकर्ताओं ने लगभग छह घंटे का रिकॉर्ड तोड़ कोहेरेंस समय प्राप्त किया। इसका अर्थ है कि परमाणु उस अवधि के लिए सिंक्रोनाइज़ रहे जो इस प्रकार की सामग्री के साथ किए गए किसी भी पिछले प्रयोग की तुलना में बहुत लंबी थी।

दूसरा माप "लाइट स्टोरेज टाइम" (प्रकाश भंडारण समय) है। यह वह अवधि है जिसके लिए प्रकाश की एक वास्तविक किरण को पकड़ा जा सकता है, परमाणुओं के भीतर एक कंपन के रूप में संग्रहीत किया जा सकता है, और फिर वापस प्रकाश के रूप में छोड़ा जा सकता है। प्रेसोडायमियम आयनों के पिछले प्रयोगों में, वैज्ञानिक लगभग 42 सेकंड के लिए प्रकाश को संग्रहीत करने में सफल रहे थे। अधिक स्थिर यूरोपियम क्रिस्टल की ओर स्विच करके और एक अलग भंडारण विधि का उपयोग करके जो परमाणु ऊर्जा स्तरों के एक विशिष्ट पैटर्न पर निर्भर करती है, शोधकर्ताओं ने इस समय को 52 मिनट से अधिक तक बढ़ा दिया। उन्होंने प्रदर्शित किया कि प्रकाश के एक पल्स को लगभग एक घंटे तक रखा जा सकता है और फिर उसके तरंग पैटर्न को बरकरार रखते हुए वापस प्राप्त किया जा सकता है, जिससे सिद्ध होता है कि सूचना अस्त-व्यस्त नहीं हुई थी।

सबसे कठिन चुनौती, और जो हमें एक कामकाजी क्वांटम इंटरनेट के सबसे करीब लाती है, वह है "क्वांटम स्टोरेज टाइम" (क्वांटम भंडारण समय)। इसमें केवल प्रकाश की एक चमकीली किरण को ही नहीं, बल्कि प्रकाश के एक एकल कण, या एक एकल फोटॉन को संग्रहीत करना शामिल है। एक एकल फोटॉन को संग्रहीत करना अविश्वसनीय रूप से कठिन है क्योंकि प्रक्रिया इतनी कुशल और शांत होनी चाहिए कि कोई अतिरिक्त शोर न जुड़े, अन्यथा एकल फोटॉन शोर के बीच खो जाएगा। पिछले प्रयासों को कुछ मिलीसेकंड से अधिक समय तक एक एकल फोटॉन को बनाए रखने में संघर्ष करना पड़ा। हालाँकि, चुंबकीय स्वीट स्पॉट, पुनर्गठित पल्स और एक नई विधि को मिलाकर जो भंडारण प्रक्रिया के दौरान अतिरिक्त शोर पैदा करने से बचती है, Lv et al. के नेतृत्व में शोधकर्ताओं ने 27 सेकंड से अधिक समय तक एकल-फोटॉन-स्तर के इनपुट को सफलतापूर्वक संग्रहीत किया। इस अवधि में, संग्रहीत फोटॉन ने अपने क्वांटम स्वभाव को बनाए रखा, जिससे यह सिद्ध हुआ कि यह केवल एक क्लासिकल सिग्नल नहीं बल्कि एक वास्तविक क्वांटम मेमोरी थी।

ये उपलब्धियाँ केवल सैद्धांतिक मील के पत्थर नहीं हैं; ये एक व्यावहारिक भविष्य की ओर संकेत करती हैं। शोधकर्ता बताते हैं कि ये क्रिस्टल मौजूदा तकनीक के अनुकूल हैं, जिसका अर्थ है कि इन्हें छोटे उपकरणों में एकीकृत किया जा सकता है। यह "परिवहन योग्य क्वांटम मेमोरीज" (transportable quantum memories) के द्वार खोलता है, जहाँ क्वांटम मेमोरी वाले उपकरण को दूर स्थित शहरों या यहाँ तक कि अंतरिक्ष के बीच क्वांटम सूचना ले जाने के लिए ट्रक, ड्रोन या उपग्रह पर लोड किया जा सकता है। एक घंटे के लिए क्वांटम अवस्था को बनाए रखने की क्षमता का अर्थ है कि एक वाहन सैकड़ों किलोमीटर की यात्रा करते हुए भी सूचना को सुरक्षित रख सकता है, जिससे उन अंतरालों को भरा जा सकता जिन्हें फाइबर ऑप्टिक केबल पार नहीं कर सकते। हालाँकि चुनौतियाँ बनी हुई हैं, जैसे कि प्रकाश को पकड़ने की दक्षता में सुधार करना और उपकरणों को छोटा बनाना, लेकिन यह कार्य यह स्थापित करता है कि दीर्घकालिक, सॉलिड-स्टेट क्वांटम मेमोरी अब कोई दूर का सपना नहीं बल्कि एक मूर्त वास्तविकता है।