Quantum Advantage in Sensing and Imaging through Coherent Nuisance Suppression

खगोल विज्ञान और सूक्ष्मदर्शिकी (microscopy) की दुनिया में, लक्ष्य हमेशा ब्रह्मांड के सबसे धुंधले विवरणों को देखना होता है, दूर स्थित तारों से लेकर सूक्ष्म कोशिकाओं तक। ऐसा करने के लिए, वैज्ञानिक प्रकाश पर निर्भर करते हैं, जो स्रोत से डिटेक्टर तक पहुँचने वाले फोटोन (photons) को कैप्चर करता है। हालाँकि, इन फोटोन द्वारा तय किया जाने वाला मार्ग शायद ही कभी सुगम होता है। जैसे ही प्रकाश वायुमंडल या जटिल ऑप्टिकल सिस्टम से गुजरता है, यह विक्षोभ (turbulence), हवा के बदलते प्रवाह और खामियों का सामना करता है जो छवि को विकृत कर देते हैं। ये विरूपण एक पर्दे की तरह कार्य करते हैं, जो चित्र को धुंधला कर देते हैं और देखी जा रही वस्तु के वास्तविक आकार को छिपा देते हैं। पारंपरिक रूप से, वैज्ञानिकों ने इसे विरूपण को स्वयं मापने और फिर डेटा से उसे घटाने की कोशिश करके ठीक करने का प्रयास किया है, एक ऐसी प्रक्रिया जिसके सटीक होने के लिए बहुत अधिक प्रकाश और समय की आवश्यकता होती है। जब वस्तु बहुत धुंधली होती है, तो यह विधि अक्सर विफल हो जाती है क्योंकि शोर (noise) को मापने और वस्तु को देखने के लिए पर्याप्त फोटोन उपलब्ध नहीं होते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस समस्या को संभालने का एक मौलिक रूप से भिन्न तरीका प्रस्तावित किया है, जो शोर को अलग से हल किए जाने वाले एक प्रश्न के रूप में नहीं, बल्कि एक साझा स्थिति के रूप में देखता है जिसे सीधे रद्द किया जा सकता है। प्रत्येक फोटोन को व्यक्तिगत रूप से मापने और उसके बाद छवि को पुनर्गठित करने के बजाय, उनका नया दृष्टिकोण कई फोटोन को कैप्चर करता है और उन्हें तब प्रोसेस करता है जब वे अभी भी एक नाजुक क्वांटम अवस्था में होते हैं। इन फोटोन को आपस में जुड़े रहने देने और उन्हें मापने से पहले एक-दूसरे के साथ तुलना करने से, सिस्टम उन हिस्सों की पहचान कर सकता है जो सभी में समान हैं—यानी शोर—और उन्हें हटा सकता है, जिससे केवल वस्तु के बारे में अद्वितीय जानकारी शेष रह जाती है। यह तकनीक, जिसे वे 'कोहेरेंट न्यूसेंस सप्रेशन' (coherent nuisance suppression) कहते हैं, एक कैमरे को पहले से कहीं कम फोटोन के साथ धुंध के पार देखने की अनुमति देती है, जो ब्रह्मांड और सूक्ष्म जगत को देखने के हमारे तरीके में क्रांति ला सकती है।

हार्वर्ड यूनिवर्सिटी और नासा सहित संस्थानों से जुड़े शोधकर्ताओं ने एक अवधारणा पेश की है जिसे वे "क्वांटम कैमरा" कहते हैं। एक मानक कैमरे में, प्रकाश एक सेंसर से टकराता है, और जैसे ही एक फोटोन पहुँचता है, उसे एक डिजिटल संख्या में बदल दिया जाता है। यह प्रक्रिया फोटोन के बीच के नाजुक क्वांटम संबंधों को नष्ट कर देती है। क्वांटम कैमरे में, प्रकाश को पहले कैप्चर किया जाता है और क्वांटम बिट्स, या क्यूबिट्स (qubits) के एक विशेष सरणी में संग्रहीत किया जाता है, जो एक मेमोरी के रूप में कार्य करते हैं। यह कैमरे को एक साथ कई फोटोन की अवस्था को थामे रखने की अनुमति देता है। एक बार जब फोटोन संग्रहीत हो जाते हैं, तो एक क्वांटम कंप्यूटर उन्हें एक साथ प्रोसेस करता है। मुख्य अंतर्दृभ यह है कि जबकि वायुमंडल हर फोटोन को विकृत करता है, वह पास के फोटोन को बहुत समान तरीके से विकृत करता है। प्रत्येक फोटोन को अलग-थलग देखने के बजाय उनके बीच के संबंध को देखकर, सिस्टम साझा विरूपण को गणितीय रूप से रद्द कर सकता है। परिणाम एक स्पष्ट संकेत है जो वस्तु की स्थिति और गति को प्रकट करता है, भले ही उन फोटोन की व्यक्तिगत छवियां पूरी तरह से अपठनीय क्यों न हों।

इस विचार का परीक्षण करने के लिए, टीम ने 'रिलेशनल फूरियर सैंपलिंग' (relational Fourier sampling) नामक एक विशिष्ट एल्गोरिदम विकसित किया। इस पद्धति को पहले से यह जानने की आवश्यकता नहीं है कि वस्तु कैसी दिखती है, वह कितनी चमकीली है, या दृश्य में कितने ऑब्जेक्ट हैं। यह केवल छवि को पुनर्गठित करने के लिए प्रकाश तरंगों के बीच के आवश्यक संबंधों को निकालता है। शोधकर्ताओं ने विस्तृत सिमुलेशन चलाए ताकि यह देखा जा सके कि वास्तविक दुनिया की स्थितियों में यह कैसे काम करेगा, विशेष रूप से रात के आकाश को देखते हुए ज़मीनी दूरबीनों के लिए। उन्होंने वायुमंडल को एक खिसकते हुए, विक्षुब्ध परत के रूप में मॉडल किया जो प्रकाश को विकृत करता है, ठीक वैसे ही जैसे सड़क से उठती गर्मी हवा को झिलमिलाती बनाती है। इन सिमुलेशन में, उन्होंने अपने क्वांटम कैमरे की तुलना सर्वोत्तम संभव शास्त्रीय (classical) विधियों से की, जिनमें उन्नत तकनीकें शामिल हैं जो पिछले मापों का उपयोग करके वायुमंडलीय विरूपण का अनुमान लगाने और सुधारने का प्रयास करती हैं।

परिणाम आश्चर्यजनक थे। दो धुंधले तारों को, जो एक-दूसरे के बहुत करीब हैं, पहचानने के कार्य के लिए, क्वांटम कैमरे को शास्त्रीय विधियों के समान स्पष्टता प्राप्त करने के लिए एक हजार गुना से भी कम फोटोन की आवश्यकता थी। आठ मीटर की दूरबीन से संबंधित एक विशिष्ट परिदृश्य में, क्वांटम सिस्टम केवल लगभग 15 क्वांटम प्रोसेसिंग यूनिट्स और ऑपरेशन्स के एक बहुत छोटे सर्किट का उपयोग करके दो तारों के बीच के अंतर को स्पष्ट कर सका। इसके विपरीत, एक शास्त्रीय प्रणाली को वायुमंडलीय धुंध को दूर करने के लिए बड़ी संख्या में फोटोन एकत्र करने की आवश्यकता होगी, जिसमें अक्सर अवलोकन का वह समय लगता है जो धुंधली वस्तुओं के लिए अव्यवहारिक है। गतिशील वस्तुओं, जैसे क्षुद्रग्रहों (asteroids) को ट्रैक करने के मामले में यह लाभ और भी नाटकीय था। क्वांटम कैमरा पारंपरिक दूरबीन की तुलना में बहुत कम प्रकाश का उपयोग करके, एक तेज़ गति से चलने वाले क्षुद्रग्रह के भविष्य के पथ की बहुत उच्च सटीकता के साथ भविष्यवाणी कर सकता था। इसका अर्थ है कि अवलोकन के समान समय के साथ, एक क्वांटम कैमरा उन वस्तुओं को देख सकता है जो वर्तमान में संभव है उससे काफी धुंधली या बहुत तेज़ गति वाली हैं।

पेपर इस बात पर जोर देता है कि यह लाभ केवल एक सैद्धांतिक संभावना नहीं है बल्कि एक सिद्ध गणितीय पृथक्करण है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि वास्तविक स्थितियों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए, क्वांटम दृष्टिकोण किसी भी शास्त्रीय रणनीति की तुलना में घातीय रूप से (exponentially) अधिक कुशल है जो फोटोन को एक-एक करके या छोटे, अलग समूहों में मापती है। उन्होंने प्रदर्शित किया कि यह दक्षता तब भी बनी रहती है जब शास्त्रीय प्रणाली के पास वायुमंडलीय स्थितियों का पूर्ण ज्ञान होता है और वह उपलब्ध सबसे परिष्कृत भविष्यवाणी एल्गोरिदम का उपयोग करती है। क्वांटम विधि इसलिए काम करती है क्योंकि यह उस जानकारी तक पहुँचती है जिसे फोटोन को अलग-अलग मापने के बाद प्राप्त करना भौतिक रूप से असंभव है। फोटोन को क्वांटम अवस्था में रखकर और उन्हें संयुक्त रूप से प्रोसेस करके, कैमरा उन सूक्ष्म सहसंबंधों (correlations) को सुरक्षित रखता है जो वास्तविक छवि ले जाते हैं, जबकि शोर स्वयं को रद्द कर देता है।

जबकि पेपर एक कार्यशील एल्गोरिदम और मजबूत सिमुलेशन परिणाम वर्णित करता है, यह ऐसे उपकरण बनाने की व्यावहारिक चुनौतियों को भी स्वीकार करता है। इस तकनीक के लिए व्यक्तिगत फोटोन को कैप्चर करने और उनकी अवस्था को उच्च निष्ठा (fidelity) के साथ क्वांटम मेमोरी में स्थानांतरित करने की क्षमता की आवश्यकता होती है, जो वर्तमान में प्रयोगशालाओं में विकसित किया जा रहा है। शोधकर्ता नोट करते हैं कि आवश्यक हार्डवेयर अन्य कार्यों के लिए चर्चा किए जाने वाले विशाल क्वांटम कंप्यूटरों की तुलना में अपेक्षाकृत मामूली है; उनके प्रस्तावित कैमरे को केवल कुछ दर्जन क्यूबिट्स और सरल सर्किट की आवश्यकता होगी। वे यह भी बताते हैं कि यह विधि उन छोटी त्रुटियों के प्रति सुदृढ़ है जो वर्तमान हार्डवेयर उत्पन्न कर सकते हैं। उनका कार्य सुझाव देता है कि सेंसिंग में व्यावहारिक क्वांटम लाभ का मार्ग पूर्ण, त्रुटि-मुक्त मशीनों की प्रतीक्षा करने में नहीं, बल्कि मौजूदा ऑप्टिकल सिस्टम में क्वांटम मेमोरी और प्रोसेसिंग के एकीकरण में है।

यह शोध खगोल विज्ञान के लिए एक नया द्वार खोलता है, जहाँ धुंधले, तेज़ गति वाले या निकट स्थित वस्तुओं को देखने की क्षमता वायुमंडल के शोर से सीमित होती है। प्रकाश की क्वांटम प्रकृति का उपयोग करके इस शोर को सीधे दबाने से, क्वांटम कैमरा ज़मीनी दूरबीनों को वे कार्य करने की अनुमति दे सकता है जिनके लिए वर्तमान में अंतरिक्ष-आधारित वेधशालाओं या अत्यधिक लंबे अवलोकन समय की आवश्यकता होती है। यही सिद्धांत अन्य क्षेत्रों में भी लागू हो सकता है जहाँ सिग्नल शोर में दबे होते हैं, जैसे चिकित्सा इमेजिंग से लेकर उपग्रह ट्रैकिंग तक। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि शोर को मापने के बजाय उसे संयुक्त क्वांटम प्रोसेसिंग के माध्यम से रद्द करने पर ध्यान केंद्रित करके, हम दुनिया को देखने के अपने तरीके में संवेदनशीलता के एक नए स्तर को अनलॉक कर सकते हैं, जिससे हमारे वातावरण की सीमाओं को एक समाधान योग्य पहेली में बदला जा सकता है।