A solid-state quantum memory based on a continuous optoacoustic system

एक ऐसा भविष्य बनाने के लिए जहाँ सूचना वैश्विक स्तर पर तुरंत और सुरक्षित रूप से यात्रा कर सके, वैज्ञानिकों को प्रकाश को रोकने का एक तरीका चाहिए। क्वांटम दुनिया में, सूचना अक्सर प्रकाश के व्यक्तिगत कणों द्वारा ले जाई जाती है, लेकिन ये कण प्रकाश की गति से चलते हैं और यदि वे किसी भी चीज़ से टकराते हैं तो लुप्त हो जाते हैं। इस डेटा को प्रोसेस करने या इसे लंबी दूरियों तक भेजने के लिए, शोधकर्ताओं को एक "मेमोरी" की आवश्यकता है जो उड़ते हुए फोटॉन को पकड़ सके, उसे एक क्षण के लिए स्थिर रख सके, और फिर उसे बिल्कुल वैसा ही छोड़ सके जैसा वह था। यह केवल एक फ़ाइल को सहेजने के बारे में नहीं है; यह उन नाजुक, अदृश्य पैटर्न को संरक्षित करने के बारे में है जो अनहैक करने योग्य संचार और अति-सटीक सेंसिंग जैसी तकनीकों को संभव बनाते हैं। चुनौती एक ऐसी सामग्री खोजने में रही है जो इन क्षणिक कणों को उनके क्वांटम स्वरूप को नष्ट किए बिना पकड़ सके, और साथ ही आधुनिक डेटा की तीव्र गति को संभालने के लिए पर्याप्त तेज़ भी हो।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक ठोस कांच या क्रिस्टल के टुकड़े का उपयोग करके इस समस्या को हल करने के लिए एक नया तरीका प्रस्तावित किया है जो प्रकाश और ध्वनि दोनों के लिए एक निरंतर राजमार्ग के रूप में कार्य करता है। प्रकाश को एक छोटे, अलग बॉक्स में फँसाने की कोशिश करने के बजाय, जो एक बार में कितनी अधिक सूचना संग्रहीत की जा सकती है, इस दृष्टिकोण में एक लंबा, पतला वेवगाइड (waveguide) उपयोग किया जाता है जहाँ प्रकाश और ध्वनि तरंगें एक साथ चलती हैं। इस प्रणाली में, लेजर प्रकाश का एक पल्स एक सेतु के रूप में कार्य करता है, जो एक चलते हुए फोटॉन को एक चलते हुए ध्वनि तरंग में परिवर्तित करता है, जिसे फोनोन (phonon) कहा जाता है, और फिर से वापस करता है। यह प्रक्रिया ब्रिलुइन स्कैटरिंग (Brillouin scattering) नामक एक विशिष्ट परस्पर क्रिया पर निर्भर करती है, जहाँ एक फोटॉन की ऊर्जा को एक ध्वनि तरंग की ऊर्जा के साथ बदला जाता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि इन अंतःक्रियाओं को सावधानीपूर्वक समयबद्ध करके, वे एक क्वांटम अवस्था को प्रकाश से ध्वनि पर मैप कर सकते हैं, उसे कुछ समय के लिए वहाँ रहने दे सकते हैं, और फिर उसे फिर से प्रकाश के रूप में प्राप्त कर सकते हैं, और यह सब उस अत्यधिक, परम शून्य के करीब के तापमान की आवश्यकता के बिना किया जा सकता है जो आमतौर पर इस तरह के नाजुक काम के लिए आवश्यक होता है।

इस प्रस्ताव का मूल एक दो-चरणीय प्रक्रिया है जो एक उत्क्रमणीय स्विच (reversible switch) की तरह कार्य करती है। सबसे पहले, लेजर प्रकाश का एक मजबूत पल्स वेवगाइड में प्रवेश करता है और एक कमजोर सिग्नल से मिलता है जो क्वांटम सूचना ले जा रहा होता है। यह अंतःक्रिया सिग्नल को एक ध्वनि तरंग में बदलने के लिए मजबूर करती है जो सामग्री के माध्यम से यात्रा करती है। सिग्नल अब ठोस माध्यम के भीतर एक कंपन के रूप में संग्रहीत है। एक प्रोग्राम करने योग्य देरी के बाद, दूसरा लेजर पल्स प्रक्रिया को उलटने के लिए आता है, ध्वनि तरंग को वापस एक प्रकाश पल्स में बदल देता है जो मूल सूचना ले जाता है। क्योंकि यह प्रणाली ट्रैप्ड कणों के बजाय यात्रा करने वाली तरंगों का उपयोग करती है, यह एक ही समय में आवृत्तियों की एक बहुत विस्तृत श्रृंखला को संभाल सकती है। इसका मतलब है कि मेमोरी एक साथ कई अलग-अलग संकेतों को संग्रहीत कर सकती है, जो क्वांटम नेटवर्क को स्केल करने के लिए एक महत्वपूर्ण विशेषता है।

शोधकर्ताओं ने यह परीक्षण करने के लिए कि यह प्रणाली वास्तविक दुनिया की सामग्रियों के साथ कितनी अच्छी तरह काम करेगी, विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। उन्होंने विभिन्न तापमानों और अंतःक्रिया शक्ति के विभिन्न स्तरों सहित विभिन्न स्थितियों के तहत प्रकाश और ध्वनि तरंगों के व्यवहार का मॉडल तैयार किया। उनके परिणाम संकेत देते हैं कि यह प्रणाली उच्च सटीकता के साथ जटिल क्वांटम अवस्थाओं, जैसे कि "सिक्वीड" (squeezed) प्रकाश जहाँ सिग्नल में शोर मानक सीमा से कम हो जाता है, को संग्रहीत और पुनः प्राप्त कर सकती है। एक केल्विन के तापमान पर भी, जो परम शून्य से केवल एक डिग्री ऊपर है लेकिन क्वांटम उपकरणों के लिए आवश्यक मिलीकेल्विन तापमानों से कहीं अधिक गर्म है, मेमोरी ने उच्च निष्ठा (fidelity) के साथ क्वांटम सूचना को बनाए रखा। सिमुलेशन ने दिखाया कि यह प्रणाली दसों नैनोसेकंड के भंडारण समय के लिए प्रभावी ढंग से कार्य कर सकती है, जो कई उन्नत अनुप्रयोगों के लिए डेटा को प्रोसेस करने के लिए पर्याप्त लंबा है।

इस कार्य का एक प्रमुख निष्कर्ष यह है कि इस प्रणाली को सूचना संग्रहीत करने से पहले ध्वनि तरंगों को उनकी न्यूनतम ऊर्जा अवस्था तक ठंडा करने की आवश्यकता नहीं है। कई क्वांटम प्रणालियों में, सामग्री में कोई भी बची हुई गर्मी या कंपन नाजुक क्वांटम सूचना को नष्ट कर देता है। हालाँकि, क्योंकि यह प्रोटोकॉल प्रकाश और ध्वनि के बीच एक तीव्र, सुसंगत (coherent) आदान-प्रदान पर निर्भर करता है, मेमोरी तब भी मजबूत रहती है जब ध्वनि तरंगें पूरी तरह से ठंडी नहीं होती हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि जब तक प्रकाश और ध्वनि के बीच की अंतःक्रिया पर्याप्त मजबूत है, सिस्टम बैकग्राउंड थर्मल शोर (thermal noise) से पार पाने में सक्षम है। यह सुझाव देता है कि इस तकनीक को बनाना और संचालित करना पिछले दृष्टिकोणों की तुलना में बहुत आसान हो सकता है, क्योंकि इसे सबसे चरम शीतलन उपकरणों की मांग नहीं करनी पड़ती है।

अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि मेमोरी एंटैंगलमेंट (entanglement) को कितनी अच्छी तरह संरक्षित करती है, जहाँ दो कण एक दूसरे से जुड़े रहते हैं चाहे उनके बीच की दूरी कितनी भी हो। सिमुलेशन में, एंटैंगल्ड जोड़े के एक आधे हिस्से को मेमोरी में भेजा गया जबकि दूसरे आधे हिस्से को एक संदर्भ के रूप में बाहर रखा गया। एक आधे हिस्से को ध्वनि तरंग के रूप में संग्रहीत करने और फिर उसे प्रकाश के रूप में पुनः प्राप्त करने के बाद, दोनों कणों के बीच का लिंक बरकरार रहा। सिमुलेशन ने दिखाया कि इस संबंध की ताकत, जिसे नेगेटिविटी (negativity) कहा जाता है, इतनी उच्च बनी रही जिससे पुष्टि हुई कि जोड़े की क्वांटम प्रकृति सुरक्षित रही। यह प्रदर्शित करता है कि यह प्रणाली न केवल सरल संकेतों, बल्कि सबसे नाजुक रूपों की क्वांटम सूचना को संभालने में सक्षम है।

प्रस्तावित मेमोरी को सैकड़ों मेगाहर्ट्ज़ के बैंडविड्थ के साथ काम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जिससे यह समानांतर में बड़ी मात्रा में डेटा को प्रोसेस कर सकती है। यह उन प्रणालियों की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है जो पृथक, अलग मोड पर निर्भर करती हैं, जो एक समय में केवल एक ही आवृत्ति को संभाल सकती हैं। एक निरंतर माध्यम का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह प्रणाली एक साथ आवृत्तियों के एक विस्तृत स्पेक्ट्रम में सूचना को संग्रहीत कर सकती है। यह क्षमता मल्टीमोड क्वांटम सिग्नल प्रोसेसिंग के द्वार खोलती है, जहाँ सूचना के कई अलग-अलग चैनलों को एक साथ प्रबंधित किया जा सकता है। सिमुलेशन ने सुझाव दिया कि वर्तमान तकनीक के साथ, ऐसे वेवगाइड्स जिनमें विशिष्ट ऑप्टिकल गुण हों, यह प्रणाली प्रयोगशाला सेटिंग में प्राप्त करने योग्य पीक पावर वाले लेजर पल्स का उपयोग करके ये परिणाम प्राप्त कर सकती है।

हालाँकि प्रस्तुत परिणाम सैद्धांतिक मॉडलों और सिमुलेशन पर आधारित हैं, वे स्केलेबल क्वांटम मेमोरी बनाने के लिए एक व्यावहारिक मार्ग की ओर संकेत करते हैं। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि वास्तविक प्रयोगों में, भंडारण समय को और भी बढ़ाया जा सकता है यदि उपयोग की जाने वाली सामग्री में मैकेनिकल लॉस (mechanical losses) कम हो, जो अक्सर निचले तापमान पर होता है। उन्होंने यह भी रेखांकित किया कि इस प्रणाली की सब-केल्विन तापमान पर काम करने की क्षमता, गहरे क्रायोजेनिक वातावरण की आवश्यकता के बिना, इसे भविष्य के क्वांटम नेटवर्क में एकीकरण के लिए अधिक व्यवहार्य उम्मीदवार बनाती है। यह कार्य एक विशिष्ट प्रकार के ऑप्टोअकॉस्टिक सिस्टम की पहचान करता है जो अगली पीढ़ी की क्वांटम प्रौद्योगिकियों के लिए एक आशाजनक मंच है, जो गति, क्षमता और विश्वसनीयता के साथ प्रकाश-आधारित सूचना को संग्रहीत और संसाधित करने का एक तरीका प्रदान करता है।