Deterministically fabricated C-band single-photon sources based on quantum dot circular Bragg grating cavities

सुरक्षित संचार और अत्यंत तीव्र कंप्यूटिंग का भविष्य एक अजीब और नाजुक संसाधन पर निर्भर करता है: ऐसा प्रकाश जो एक निरंतर प्रवाह के रूप में नहीं, बल्कि व्यक्तिगत, अविभाज्य कणों के रूप में व्यवहार करता है। वैज्ञानिक इन कणों को फोटॉन कहते हैं, और क्वांटम तकनीक की दुनिया में, वे आदर्श संदेशवाहक के रूप में कार्य करते हैं। लैंप या लेजर पॉइंटर से निकलने वाले अराजक प्रकाश के विपरीत, एक वास्तविक क्वांटम प्रकाश स्रोत को बिल्कुल एक समय में एक फोटॉन छोड़ने के लिए प्रेरित किया जा सकता है। यह सटीकता क्वांटम नेटवर्क के लिए आधार है, जहाँ सूचना को एक एकल कण की अवस्था में एनकोड किया जाता है। हालाँकि, इन नेटवर्कों को लंबी दूरी तक काम करने के लिए, प्रकाश को उन्हीं ग्लास फाइबर के माध्यम से यात्रा करना होगा जो आज हमारे इंटरनेट को ले जाते हैं। इसके लिए फोटॉन को रंगों की एक विशिष्ट रेंज, जिसे सी-बैंड (C-band) कहा जाता है, में ट्यून करना आवश्यक है, जहाँ ग्लास फाइबर सबसे अधिक पारदर्शी होते हैं और सिग्नल का सबसे कम नुकसान होता है। इन विशिष्ट, एकल कणों का एक विश्वसनीय स्रोत बनाना लंबे समय से एक चुनौती रहा है, विशेष रूप से इसलिए क्योंकि जो सामग्रियां स्वाभाविक रूप से इस रंग का प्रकाश उत्सर्जित करती हैं, वे अक्सर ऐसे फोटॉन उत्पन्न करने में संघर्ष करती हैं जो एक-दूसरे के समान हों, जो भविष्य की जटिल गणनाओं के लिए एक आवश्यक गुण है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नया प्रकार का प्रकाश स्रोत बनाकर इस समस्या को हल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है, जो सटीक निर्माण को एक चतुर ऑप्टिकल डिज़ाइन के साथ जोड़ता है। क्वांटम डॉट्स नामक सेमीकंडक्टर सामग्री के छोटे द्वीपों (islands) के साथ काम करते हुए, जो कृत्रिम परमाणुओं के रूप में कार्य करते हैं, वैज्ञानिकों ने इन उत्सर्जकों को एक विशेष संरचना के भीतर कैद करने में सफलता प्राप्त की जिसे उनके प्रकाश को पकड़ने और निर्देशित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इन क्वांटम डॉट्स को एक मानक औद्योगिक पद्धति का उपयोग करके विकसित किया गया था, जिससे यह प्रक्रिया स्केलेबल (scalable) बन गई, और उन्हें सी-बैंड में प्रकाश उत्सर्जित करने के लिए इंजीनियर किया गया था, जो फाइबर-ऑप्टिक संचार के लिए सबसे उपयुक्त क्षेत्र है। शोधकर्ताओं ने फिर एक अत्यधिक सटीक तकनीक का उपयोग किया ताकि व्यक्तिगत डॉट्स का पता लगाया जा सके और प्रत्येक के चारों ओर एक गोलाकार दर्पण जैसी पैटर्न बनाई जा सके। यह पैटर्न, जिसे सर्कुलर ब्रैग ग्रेटिंग (circular Bragg grating) कहा जाता है, एक फनल (funnel) की तरह कार्य करता है, जो उस प्रकाश को इकट्ठा करता है जो अन्यथा सभी दिशाओं में बिखर जाता है और उसे एक एकल बीम में केंद्रित करता है। परिणाम स्वरूप एक ऐसा उपकरण प्राप्त हुआ जो एक ठोस सामग्री से एकल फोटॉन को विश्वसनीय रूप से निकाल सकता है और उन्हें अपनी चमक बढ़ाने के लिए जटिल बाहरी उपकरणों की आवश्यकता के बिना फाइबर ऑप्टिक केबल में निर्देशित कर सकता है।

इस उपलब्धि का मूल तत्व यह है कि टीम ने प्रकाश स्रोत को ऑप्टिकल संरचना के साथ कैसे एकीकृत किया। यह अनुमान लगाने के बजाय कि नन्हे प्रकाश-उत्सर्जक डॉट्स कहाँ स्थित हैं, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी विधि का उपयोग किया जिसने उन्हें पहले डॉट्स को देखने और फिर नैनोमीटर सटीकता के साथ उनके चारों ओर संरचना बनाने की अनुमति दी। उन्होंने एक संवेदनशील कैमरे का उपयोग करके एक एकल क्वांटम डॉट के स्थान का मानचित्रण किया जो प्रकाश का पता लगाता है, और फिर, नमूने को हिलाए बिना, उन्होंने एक इलेक्ट्रॉन बीम का उपयोग करके उस विशिष्ट डॉट के चारों ओर सीधे सर्कुलर ग्रेटिंग पैटर्न बनाया। यह नियतात्मक (deterministic) दृष्टिकोण यह सुनिश्चित करता है कि प्रकाश स्रोत और प्रकाश-कैप्चर करने वाली संरचना पूरी तरह से संरेखित (aligned) हों। परिणामी उपकरण एक छोटा मेसा (mesa), या उभरा हुआ मंच है, जो सामग्री में उकेरी गई संकेंद्रित रिंगों (concentric rings) से घिरा हुआ है। ये रिंग्स गणितीय सटीकता के साथ व्यवस्थित हैं ताकि एक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य (wavelength) के प्रकाश को केंद्र की ओर वापस परावर्तित किया जा सके, जो प्रभावी रूप से प्रकाश को पकड़ता है और उसे एक संकीर्ण छिद्र के माध्यम से ऊपर की ओर निकलने के लिए मजबूर करता है।

जब शोधकर्ताओं ने इन उपकरणों का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि गोलाकार संरचनाओं ने उनके द्वारा एकत्र किए जा सकने वाले प्रकाश की मात्रा में नाटकीय रूप से सुधार किया। उसी सामग्री के एक सपाट, बिना पैटर्न वाले नमूने की तुलना में, नए उपकरणों ने लगभग तीन से चार गुना अधिक प्रकाश कैप्चर किया। यह सुधार केवल प्रकाश को उज्जवल बनाने का मामला नहीं था; इसने फोटॉन की गुणवत्ता को भी बनाए रखा। टीम ने यह मापा कि एक एकल फोटॉन को अवशोषित होने या खो जाने से पहले वह कितनी देर तक रहता है, जिसमें लगभग 1,400 पिकोसेकंड का जीवनकाल पाया गया। उन्होंने प्रकाश के रंग की तीक्ष्णता (sharpness) को भी मापा, जो बहुत संकीर्ण बनी रही, जो यह दर्शाता है कि फोटॉन अच्छी तरह से परिभाषित और स्थिर थे। महत्वपूर्ण रूप से, शोधकर्ता बिना किसी रेजोनेंट लेजर (resonant laser) के इन एकल फोटॉन को उत्पन्न करने में सक्षम थे, जो सामग्री को उत्तेजित करने का एक अधिक जटिल और नाजकीय तरीका है। इसके बजाय, उन्होंने एक सरल, 'एबव-बैंड एक्साइटेशन' (above-band excitation) विधि का उपयोग किया, जो अधिक मजबूत और वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों में लागू करने में आसान है, भले ही यह आमतौर पर अधिक शोर और अस्थिरता पेश करती है।

शायद सबसे निर्णायक परिणाम यह परीक्षण था कि क्या फोटॉन एक-दूसरे के समान (identical) हैं। क्वांटम यांत्रिकी में, दो फोटॉनों के बीच हस्तक्षेप करने के लिए, उन्हें एक दूसरे से अविभेद्य (indistinguishable) होना चाहिए, जिसका अर्थ है कि वे समय और रंग के मामले में पूर्ण प्रतिलिपियाँ हैं। शोधकर्ताओं ने अपने उपकरण से फोटॉन के जोड़ों को एक विशेष इंटरफेरोमीटर में भेजा यह देखने के लिए कि क्या वे एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं, जो कि होंग-ओ-उ-मैंडल प्रभाव (Hong-Ou-Mandel effect) के रूप में जाना जाता है। उनकी प्रयोगात्मक स्थितियों के तहत, उन्होंने लगभग 35 प्रतिशत की विजिबिलिटी देखी, जिसका अर्थ है कि फोटॉन्स ने समानता का एक महत्वपूर्ण स्तर दिखाया। जब उन्होंने सबसे सटीक घटनाओं को फ़िल्टर करने के लिए एक पोस्ट-सिलेक्शन तकनीक लागू की, तो यह संख्या बढ़कर 70 प्रतिशत तक पहुँच गई। हालांकि यह अभी तक सबसे उन्नत प्रयोगों में देखी जाने वाली लगभग पूर्ण अविभेद्यता (near-perfect indistinguishability) के स्तर पर नहीं है, लेकिन यह एक ऐसे सिस्टम के लिए एक उल्लेखनीय उपलब्धि है जो एक सरल उत्तेजना विधि पर निर्भर करता है और जो उत्सर्जन प्रक्रिया को कृत्रिम रूप से तेज करने के लिए कैविटी का उपयोग नहीं करता है। यह तथ्य कि फोटॉन ने इस स्तर की सुसंगतता (coherence) बनाए रखी, यह सुझाव देता है कि सामग्री स्वयं उच्च गुणवत्ता की है और सर्कुलर ग्रेटिंग संरचना प्रभावी रूपت से प्रकाश को पर्यावरणीय गड़बड़ियों से अलग करती है।

शोधकर्ताओं ने यह भी पता लगाया कि ये उपकरण विभिन्न तापमानों पर कैसे व्यवहार करते हैं, जो व्यावहारिक उपयोग के लिए एक महत्वपूर्ण कारक है। उन्होंने पाया कि परम शून्य (absolute zero) से लगभग 40 केल्विन तक तापमान बढ़ने पर भी एकल-फोटॉन की गुणवत्ता मजबूत बनी रही। हालांकि उच्च तापमान पर प्रदर्शन थोड़ा कम हुआ, लेकिन उपकरण उच्च शुद्धता के साथ एकल फोटॉन उत्सर्जित करना जारी रखते रहे, जो यह दर्शाता है कि वे अत्यधिक क्रायोजेनिक वातावरण के बजाय मानक कूलिंग सिस्टम में संचालन के लिए पर्याप्त मजबूत हैं। टीम ने नोट किया कि फोटॉन की पूर्णता को सीमित करने वाले मुख्य कारक संभवतः क्वांटम डॉट के आसपास विद्युत आवेश के उतार-चढ़ाव और डॉट द्वारा प्रकाश उत्सर्जित करने में लगने वाले समय से संबंधित थे। उन्होंने सुझाव दिया कि भविष्य के सुधार या तो सामग्री को प्रकाश तेजी से उत्सर्जित करने के लिए इंजीनियर करने से आ सकते हैं, जिससे इन उतार-चढ़ावों के हस्तक्षेप करने के लिए उपलब्ध समय कम हो जाएगा, या शोर को कम करने के लिए अधिक चयनात्मक उत्तेजना विधियों का उपयोग करने से आ सकते हैं।

यह कार्य मौजूदा फाइबर-ऑप्टिक नेटवर्क में सीधे एकीकृत किए जा सकने वाले स्केलेबल क्वांटम लाइट सोर्स बनाने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदर्शित करता है। एक परिपक्व औद्योगिक विकास तकनीक को एक सटीक, नियतात्मक निर्माण पद्धति के साथ जोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा प्लेटफॉर्म बनाया है जो उच्च-प्रदर्शन करने वाला और विनिमेय (manufactable) दोनों है। सर्कुलर ब्रैग ग्रेटिंग डिज़ाइन क्वांटम डॉट्स से प्रकाश निकालने के लिए एक प्रभावी उपकरण साबित हुआ है, जो एक ऐसी सामग्री को नियंत्रित करने योग्य विश्वसनीय स्रोत में बदल देता है जिसे नियंत्रित करना कठिन है। हालांकि उच्चतम स्तर की फोटॉन अविभेद्यता तक पहुँचने के लिए अभी भी काम किया जाना बाकी है, यह अध्ययन एक ठोस आधार स्थापित करता है। यह दिखाता है कि दूरसंचार-बैंड (telecom-band) के एकल-फोटॉन स्रोत बनाना संभव है जो उत्तेजित करने में सरल, एकत्र करने में कुशल और आधुनिक दुनिया के बुनियादी ढांचे के अनुकूल हों, जो क्वांटम इंटरनेट के दृष्टिकोण को वास्तविकता के एक कदम और करीब लाता है।