Temporal-Mode interference type Quantum Photonic computation on curved-time photonic platforms

कल्पना कीजिए कि आप एक टॉर्च का उपयोग करके एक गुप्त संदेश भेजने की कोशिश कर रहे हैं। मानक भौतिकी की दुनिया में, आपके पास संदेश भेजने के दो मुख्य तरीके हैं: या तो आप रोशनी को बहुत तेज़ी से चालू और बंद कर सकते हैं (समय), या आप रोशनी का रंग बदल सकते हैं (आवृत्ति)। आमतौर पर, ये दोनों चीजें एक सख्त नृत्य में बंधी होती हैं: यदि आप रोशनी को अविश्वसनीय रूप से तेज़ी से चमकाना चाहते हैं, तो आपको रंगों की एक बहुत विस्तृत श्रृंखला का उपयोग करना होगा, और यदि आप एक ही शुद्ध रंग का उपयोग करना चाहते हैं, तो आप इसे बहुत तेज़ी से नहीं चमका सकते। यह प्रकृति का एक मौलिक नियम है जिसे 'टाइम-फ्रीक्वेंसी ट्रेड-ऑफ' (समय-आवृत्ति संतुलन) कहा जाता है, और यह एक गति सीमा की तरह कार्य करता है कि हम एक सिग्नल में कितनी जानकारी भर सकते हैं।

द दशकों से, वैज्ञानिकों ने "समय" को एक सरल, अपरिवर्तनीय पृष्ठभूमि घड़ी के रूप में माना है, जो एक मेट्रोनोम की तरह है जो कभी तेज़ या धीमा नहीं होता। लेकिन क्वांटम यांत्रिकी और सापेक्षता की विचित्र दुनिया में, समय केवल एक पृष्ठभूमि घड़ी नहीं है; इसे गुरुत्वाकर्षण या त्वरण द्वारा विकृत किया जा सकता है। यह शोध पत्र विज्ञान के उस रोमांचक कोने में कदम रखता है जहाँ क्वांटम भौतिकी और समय को मोड़ने के विचार का मिलन होता है। यह एक साहसिक प्रश्न पूछता है: क्या होगा यदि हम एक ऐसा कंप्यूटर बना सकें जहाँ "घड़ी" स्वयं एक परिवर्तनशील चीज़ हो जिसे हम ट्यून कर सकें, खींच सकें और आकार दे सकें? केवल समय के माध्यम से डेटा के बिट्स भेजने के बजाय, क्या होगा यदि हम समय को ही डेटा बना दें?

यह शोध, जिसका नेतृत्व स्वतंत्र शोधकर्ता मोहम्मद मोहम्मदीआरी ने किया है, प्रकाश और ध्वनि का उपयोग करके क्वांटम कंप्यूटर बनाने का एक नया तरीका प्रस्तावित करता है। मुख्य विचार एक "वक्रित-समय" (curved-time) प्लेटफॉर्म बनाना है। एक ट्रैम्पोलिन की कल्पना करें जहाँ कपड़ा सपाट नहीं है; कुछ हिस्से कसकर खींचे गए हैं, और कुछ ढीले हैं। इस शोध पत्र की दुनिया में, "कपड़ा" स्वयं समय है। क्वार्ट्ज क्रिस्टल (QCM) या सतह ध्विक तरंगों (SAW) जैसे विशेष पदार्थों का उपयोग करके, जो उच्च गति पर कंपन करते हैं, शोधकर्ता एक ऐसा परिदृश्य तैयार करते हैं जहाँ समय की "गति" एक स्थान से दूसरे स्थान पर बदलती है।

इस वक्रित-समय परिदृश्य में, शोध पत्र सुझाव देता है कि समय एक संगीत वाद्ययंत्र की तरह व्यवहार कर सकता है। जिस तरह एक गिटार का तार विशिष्ट, अलग-अलग पैटर्न (हारमोनिक्स) में कंपन कर सकता है ताकि अलग-अलग स्वर उत्पन्न हो सकें, शोधकर्ता दिखाते हैं कि इन वक्रित-समय क्षेत्रों में फंसे कण विशिष्ट "टेम्पोरल मोड" (कालिक मोड) में कंपन कर सकते हैं। वे इन्हें "टेम्पोरल आइजनस्टेट्स" (कालिक आइजनस्टेट्स) कहते हैं। एक कण के केवल स्थिर रहने या आगे बढ़ने के बजाय, वह एक "टाइम वेल" (समय के कुएं) में फंस जाता है जहाँ वह केवल समय के विशिष्ट, क्वांटाइज्ड चरणों में अस्तित्व में रह सकता है, ठीक वैसे ही जैसे $|T_0\rangle, |T_1\rangle, |T_2\rangle$ आदि लेबल वाली एक सीढ़ी होती है।

इन सिमुलेशन में सबसे रोमांचक खोज यह है कि जब आप इन विभिन्न समय-चरणों को मिलाते हैं तो क्या होता है। जब शोधकर्ताओं ने इन "समय-स्वरों" को संयोजित किया, तो उन्हें केवल एक साधारण सिग्नल नहीं मिला; उन्हें वह मिला जिसे वे "क्वांटम मेलोडीज़" (क्वांटम धुनें) कहते हैं। उन्होंने पाया कि इन अवस्थाओं को सुपरइम्पोज़ करके, वे हस्तक्षेप (interference) के जटिल पैटर्न बना सकते हैं जो संगीत के कॉर्ड्स, बीट्स और यहाँ तक कि "साँस लेने वाली" लहरों की तरह दिखते हैं। ये केवल सुंदर चित्र नहीं हैं; ये तर्क (logic) करने के एक नए तरीके का प्रतिनिधित्व करते हैं। एक सामान्य कंप्यूटर में, आप 0 को 1 में बदलने के लिए एक स्विच को पलटते हैं। इस वक्रित-समय प्रणाली में, आप "समय के तार" को छेड़ते हैं, और सिस्टम का प्राकृतिक कंपन गणना को निष्पादित करता है।

शोध पत्र सुझाव देता है कि क्योंकि इन वक्रित-समय क्षेत्रों में समय को दबाया और खींचा जा रहा है, इसलिए सिस्टम भारी मात्रा में जानकारी उत्पन्न कर सकता है। मानक भौतिकी में, आप कितनी बैंडविड्थ (सूचना गति) प्राप्त कर सकते हैं इसकी एक सीमा होती है। लेकिन इस वक्रित-समय सिमुलेशन में, समय का "दबाव" आवृत्ति को विस्फोट की तरह बढ़ा देता है, जिससे हारमोनिक्स का एक स्पेक्ट्रम बनता है जो सैद्धांतिक रूप से सैकड़ों टेराहर्ट्ज़ (THz) तक पहुँच सकता है। लेखक इसे "फूरियर-रिवर्सड" (Fourier-reversed) कंप्यूटिंग के रूप में वर्णित करते हैं, जहाँ जानकारी तरंग की आवृत्ति के बजाय समय की ज्यामिति में एनकोड की जाती है।

हालाँकि, यह ध्यान देना महत्वपूर्ण है कि ये परिणाम वर्तमान में संख्यात्मक सिमुलेशन और सैद्धांतिक मॉडलों पर आधारित हैं, अभी तक भौतिक प्रयोगों पर नहीं। शोध पत्र स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज करता है कि यह एक हल की गई तकनीक है; इसके बजाय, यह एक ब्लूप्रिंट प्रस्तुत करता है। शोधकर्ता स्वीकार करते हैं कि ग्राफीन या क्वांटम डॉट्स जैसी वास्तविक दुनिया की सामग्रियों की सीमाएँ होती हैं। उदाहरण के लिए, कमरे के तापमान पर एक वास्तविक ग्राफीन चिप में, यह "धुन" गर्मी और कंपन के कारण सिग्नल के अस्त-व्यस्त होने से पहले लगभग 10 से 100 फेम्टोसेकंड (एक फेम्टोसेकंड एक क्वाड्रिलियनवां सेकंड का एक हिस्सा है) तक ही चलेगी। एक सुपर-कूल्ड क्वांटम डॉट सिस्टम में, सिग्नल थोड़ा अधिक समय तक, शायद 10 पिकोसेकंड तक, चल सकता है।

इन वास्तविक दुनिया की बाधाओं के बावजूद, शोध पत्र आगे बढ़ने का मार्ग बताता है। यह सुझाव देता है कि अल्ट्राफास्ट लेजर पल्स (50 से 150 फेम्टोसेकंड) का उपयोग करके इन "समय-तारों" को छेड़ने से, हम ऐसे प्रोसेसर बना सकते हैं जो वर्तमान कंप्यूटरों की तुलना में कहीं अधिक गति से काम करते हैं। लेखक का प्रस्ताव है कि इससे एक नए प्रकार की "क्वांटम संगीत" का जन्म हो सकता है जहाँ लॉजिक गेट्स गीतों की तरह कंपोज किए जाते हैं, और सूचना को समय की संरचना के माध्यम से ले जाया जाता है। हालाँकि शोध पत्र यह दावा नहीं करता कि उसने अभी तक यह मशीन बनाई है, लेकिन यह एक सम्मोहक गणितीय और सिम्युलेटेड प्रमाण प्रदान करता है कि ऐसा "वक्रित-समय" आर्किटेक्चर सैद्धांतिक रूप से सूचना की पुरानी गति सीमाओं को तोड़ सकता है, जिससे समय के प्रवाह को अगली पीढ़ी की क्वांटम तकनीक के लिए एक प्रोग्राम करने योग्य संसाधन में बदला जा सकता है।