Broadband radio-frequency chaos synthesis with Vernier chaotic microcombs

प्रकाश की दुनिया को केवल एक लैंप जलाने वाली किरण के रूप में नहीं, बल्कि एक जंगली, अप्रत्याशित नदी के रूप में कल्पना करें। भौतिकी के क्षेत्र में, इस "जंगलीपन" को अराजकता (chaos) कहा जाता है। हालांकि अराजकता सुनने में अव्यवस्थित लगती है, लेकिन वैज्ञानिक इसे पसंद करते हैं क्योंकि यह पूरी तरह से यादृच्छिक (random) होती है। इसे एक म्यूजिक प्लेयर के अंतिम 'शफल बटन' की तरह समझें जो कभी भी एक ही गाने को उसी क्रम में दोबारा नहीं दोहराता। यह यादृच्छिकता आपके संदेशों की सुरक्षा के लिए सुरक्षित कोड बनाने, या कंप्यूटर द्वारा निष्पक्ष निर्णय लेने के लिए रैंडम नंबर जेनरेट करने के लिए एक सुपरपावर है। लंबे समय से, वैज्ञानिक इस अराजकता को और तेज़ और व्यापक बनाने की कोशिश कर रहे हैं, जैसे पानी की एक छोटी धार को एक गर्जना करने वाले झरने में बदलने की कोशिश करना। लक्ष्य "रेडियो-फ्रीक्वेंसी अराजकता" (radio-frequency chaos) बनाना है—एक अत्यंत तेज़, उलझा हुआ सिग्नल जिसका उपयोग अटूट एन्क्रिप्शन या अल्ट्रा-फास्ट रैंडम नंबर जेनरेटर बनाने के लिए किया जा सके। चुनौती यह रही है कि जिन उपकरणों का उपयोग इस प्रकाश अराजकता को बनाने के लिए किया जाता है, वे आमतौर पर एक निश्चित गति सीमा पर अटक जाते हैं, जैसे कि एक कार जो कितनी भी तेज़ चलाने की कोशिश करने पर भी एक विशिष्ट हाईवे की गति से तेज़ नहीं जा सकती।

अब, एक गायक मंडली (choir) की कल्पना करें, जिसमें प्रत्येक गायक एक अलग स्वर पकड़े हुए है। यदि आप केवल एक गायक से एक पागल, तेज़ सोलो गाने के लिए कहते हैं, तो वे थक सकते हैं और धीमे हो सकते हैं। लेकिन क्या होगा यदि आपके पास एक पूरी मंडली हो, और केवल उन्हें तेज़ गाने के लिए कहने के बजाय, आपने उनसे अपने पागल सोलो को थोड़े अलग वेग (speeds) पर गाने के लिए कहा और फिर उनकी आवाज़ों को मिला दिया? यही वह चतुर तकनीक है जिसका उपयोग इस नए शोध में किया गया है। चीन के इलेक्ट्रॉनिक साइंस एंड टेक्नोलॉजी यूनिवर्सिटी के वैज्ञानिकों ने दो कांच के छल्लों (जिन्हें माइक्रोरिज़ोनेटर कहा जाता है) का उपयोग करके एक प्रणाली बनाई जो इन गायकों की तरह कार्य करती है। उन्होंने इन छल्लों को थोड़े अलग वेग पर कंपन कराया, जिससे एक "वेर्नियर" (Vernier) प्रभाव पैदा हुआ—यह एक फैंसी शब्द है जो एक ऐसे पैटर्न के लिए उपयोग किया जाता है जो इस तरह से शिफ्ट और ओवरलैप होता है जो छिपे हुए विवरणों को प्रकट करता है। इन दो छल्लों से उत्पन्न अराजक प्रकाश को मिलाकर, उन्होंने न केवल एक तेज़ सिग्नल प्राप्त किया; बल्कि उन्होंने एक ऐसा पुल बनाया जिसने व्यक्तिगत प्रकाश स्वरों की गति सीमाओं को एक विशाल, ब्रॉडबैंड रेडियो-फ्रीक्वेंसी तूफान में अनुवादित कर दिया।

इस शोध का मुख्य निष्कर्ष यह है कि इस "वेर्नियर केओटिक ड्यूल-माइक्रोकॉम्ब" सेटअप का उपयोग करके, उन्होंने 40 GHz से अधिक तक फैलने वाले एक अराजक सिग्नल को सफलतापूर्वक पुनर्गठित किया। यह एक बड़ी छलांग है क्योंकि यह उस सामान्य गति बाधा को तोड़ता है जो एकल प्रकाश स्रोतों को सीमित करती है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि वे इन अराजक प्रकाश स्वरों के दो जोड़े ले सकते हैं, उन्हें मिला सकते हैं, और एक ऐसा सिग्नल बना सकते हैं जो इतना तेज़ और जटिल है कि सैद्धांतिक रूप से यह 3.072 Tbps (टेराबिट प्रति सेकंड) की दर से रैंडम बिट्स जेनरेट कर सकता है यदि इसे ऑफलाइन प्रोसेस किया जाए। इससे भी अधिक प्रभावशाली बात यह है कि उन्होंने यह साबित किया कि यह वास्तविक समय (real-time) में काम करता है, 40 Gbps पर रैंडम बिट्स निकालता है। वे इस पुराने विचार के विरुद्ध तर्क देते हैं कि बेहतर परिणाम प्राप्त करने के लिए आपको केवल एक एकल प्रकाश स्रोत को तेज़ और तेज़ बनाने की आवश्यकता है। इसके बजाय, वे सुझाव देते हैं कि उत्तर कई छोटे, धीमे अराजक टुकड़ों को इकट्ठा करने और उन्हें एक विशाल, तेज़ पूर्ण इकाई में जोड़ने में निहित है। उनके द्वारा मापे गए प्रयोगात्मक डेटा के लिए परिणामों का आत्मविश्वास उच्च है, और उन्होंने कंप्यूटर सिमुलेशन भी चलाए जिससे पता चलता है कि यदि वे इन प्रकाश नोट्स के और अधिक जोड़ों का उपयोग करते हैं, तो वे गति को और भी ऊपर ले जा सकते हैं, जो संभावित रूप से 128 GHz तक पहुँच सकती है।

यह समझने के लिए कि यह कैसे काम करता है, इन दो छोटे कांच के छल्लों को दो ड्रम बजाने वालों (drummers) के रूप में सोचें। सामान्य रूप से, यदि आप एक ड्रमर को एक अराजक ताल बजाते हुए सुनते हैं, तो ताल की गति इस बात से सीमित होती है कि उसके हाथ कितनी तेज़ी से चल सकते हैं। इस प्रयोग में, वैज्ञानिकों ने दो ड्रम बजाने वालों को थोड़े अलग रिदम (लय) में बजाने के लिए प्रेरित किया। जब उनकी ताल आपस में टकराती है, तो वे एक नया, जटिल रिदम बनाते हैं जो अकेले किसी भी ड्रमर की तुलना में बहुत अधिक तेज़ होता है। यही वह "मल्टीहेटरोडायन मैपिंग" (multiheterodyne mapping) है जिसका उल्लेख पेपर में किया गया है। यह एक घूमते हुए पंखे के स्लो-मोशन वीडियो को सामान्य गति पर चलाने जैसा है; गति अविश्वसनीय रूप से तेज़ और विस्तृत दिखाई देती है। वैज्ञानिकों ने प्रकाश के विभिन्न रंगों से प्राप्त धीमी, अराजक "बीट्स" को एक रेडियो-फ्रीक्वेंसी ग्रिड पर मैप किया।

हालाँकि, एक पेच था। जब उन्होंने पहली बार इन बीट्स को मिलाने की कोशिश की, तो निचली आवृत्तियाँ (frequencies) बहुत तेज़ थीं, जो सिग्नल के तेज़, अधिक दिलचस्प हिस्सों को दबा रही थीं। यह एक ऐसे बास गिटार की तरह था जो इतना तेज़ था कि आप गिटार सोलो को नहीं सुन पा रहे थे। इसे ठीक करने के लिए, उन्होंने एक विशेष एम्पलीफायर (एक रिफ्लेक्टिव सेमीकंडक्टर ऑप्टिकल एम्पलीफायर) का उपयोग किया जो एक वॉल्यूम नॉब की तरह काम करता था, जो भारी बास को कम करता था और उच्च-गति वाले "सोलो" को चमकने देता था। इसने उनके सिग्नल को बहुत अधिक सपाट और उपयोगी बना दिया।

फिर, उन्होंने एक कदम आगे बढ़ाया। उन्होंने महसूस किया कि केवल ड्रमों को मिलाना ही सबसे तेज़ संभव गति प्राप्त करने के लिए पर्याप्त नहीं है। इसलिए, उन्होंने एक "स्पेक्ट्रल ब्रोडनिंग" (spectral broadening) तकनीक जोड़ी। कल्पना करें कि प्रत्येक ड्रमर की बीट को ले रहे हैं और उसमें थोड़ा सा ईको (echo) और डिस्टॉर्शन जोड़ रहे हैं, जिससे उन्हें मिलाने से पहले ध्वनि और अधिक विस्तृत और समृद्ध हो जाए। लैब में, उन्होंने इसे एक फेज मॉड्यूलेटर और एक लंबी फाइबर ऑप्टिक केबल के माध्यम से प्रकाश को गुजारकर किया, जिसने प्रकाश तरंगों को फैला दिया। इसका मतलब था कि दस जोड़े ड्रमों को एक विस्तृत सिग्नल बनाने के लिए, उन्हें केवल इन "फैले हुए" ड्रमों के दो जोड़ों की आवश्यकता थी।

परिणाम एक खजाने के संदूक तक पहुँचने वाला शॉर्टकट खोजने जैसा हैं। टीम ने प्रदर्शित किया कि उनकी नई विधि ऑफलाइन परीक्षण में (जहाँ उन्होंने डेटा रिकॉर्ड किया और बाद में प्रोसेस किया) 3.072 Tbps की दर से रैंडम नंबर जेनरेट कर सकती है। एक वास्तविक समय के परीक्षण में, एक विशेष कंप्यूटर चिप जिसे FPGA कहा जाता है, का उपयोग करते हुए, वे 40 Gbps की दर से रैंडम नंबर निकालने में सफल रहे। यह वर्तमान में वास्तविक दुनिया के सुरक्षा और कंप्यूटिंग कार्यों के लिए उपयोगी होने के लिए पर्याप्त तेज़ है। पेपर सुझाव देता है कि यह दृष्टिकोण स्केलेबल है, जिसका अर्थ है कि यदि वे इन अराजक प्रकाश स्रोतों के और अधिक जोड़े जोड़ते हैं, तो गति और भी अधिक हो सकती है, जो भविष्य में टेराहर्ट्ज़ रेंज तक पहुँच सकती है।

अंत में, यह शोध खेल बदल देता है। एक एकल, सुपर-फास्ट इंजन बनाने के बजाय जो दबाव में टूट सकता है, उन्होंने एक ऐसी प्रणाली बनाई है जो एक विशाल, विश्वसनीय पावरहाउस बनाने के लिए कई छोटे इंजनों को जोड़ती है। उन्होंने दिखाया कि प्रकाश के अद्वितीय गुणों और चतुर "वेर्नियर" ट्रिक का उपयोग करके, हम प्रकाश की अराजक थरथराहट को एक सुपर-फास्ट, उपयोगी रेडियो सिग्नल में बदल सकते हैं। यह सुरक्षित संचार और उच्च-गति कंप्यूटिंग के नए तरीके बनाने के द्वार खोलता है, जो यह सिद्ध करता है कि कभी-कभी, तेज़ जाने का सबसे अच्छा तरीका मिलकर काम करना होता है।