Generating spatially separated correlated multiphoton states in nonlinear waveguide quantum electrodynamics

क्वांटम तकनीक की दुनिया में, वैज्ञानिक लगातार ऐसे तरीके खोज रहे हैं जिनसे प्रकाश को उन तरीकों से व्यवहार करने के लिए प्रेरित किया जा सके जो प्रकृति में सामान्यतः संभव नहीं हैं। प्रकाश, जो फोटॉन नामक कणों से बना है, आमतौर पर अंतरिक्ष में एक-दूसरे के साथ बिना किसी अंतःक्रिया के यात्रा करता है; वे एक-दूसरे के बीच से भूतों की तरह गुजर जाते हैं। शक्तिशाली क्वांटम कंप्यूटर या अति-सटीक सेंसर बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को फोटॉन को एक साथ जुड़ने की आवश्यकता होती है, जिससे जटिल, सह-संबंधित समूह बनते हैं जो उस जानकारी को ले जाते हैं जिसे एकल कण नहीं ले सकते। चुनौती यह रही है कि अधिकांश सामग्रियों में इन कणों के बीच अंतःक्रिया करने के लिए आवश्यक बल अत्यंत कमजोर होता है। वर्षों तक, मानक दृष्टिकोण में फोटॉन को टकराने के लिए मजबूर करने हेतु छोटे कृत्रिम परमाणुओं का उपयोग किया जाता था, लेकिन इस पद्धति को अक्सर कणों के बड़े समूहों को कुशलतापूर्वक बनाने या उनके बनने के बाद उन्हें अलग करने में संघर्ष करना पड़ा।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक नया आर्किटेक्चर प्रस्तावित किया है जो 'लाइट-मैटर इंटरैक्शन' के सामान्य नियमों को उलटकर इन बाधाओं को दूर करता है। फोटॉन को सीधे टकराने के लिए मजबूर करने के बजाय, उन्होंने एक ऐसा सिस्टम डिजाइन किया जहाँ एक एकल फोटॉन एक विशेष वेवगाइड (waveguide) में प्रवेश करता है और दो जुड़े हुए फोटॉनों के जोड़े में बदल जाता है, जो फिर एक तिकड़ी में बदल जाता है, और इसी तरह आगे बढ़ता है। यह प्रक्रिया "विशाल परमाणुओं" (giant atoms) से जुड़ी एक चतुर तकनीक पर निर्भर करती है—ऐसे कृत्रिम परमाणु जो वेवगाइड से केवल एक बिंदु के बजाय कई बिंदुओं पर जुड़े होते हैं। इन कनेक्शनों को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, शोधकर्ताओं ने विस्तृत सिमुलेशन के माध्यम से दिखाया कि वे एक एकल फोटॉन को सह-संबंधित फोटॉन समूहों की एक धारा में बदल सकते हैं, जिनमें से प्रत्येक अलग गति से चलता है। यह विभिन्न समूहों को अंतरिक्ष और समय में स्वाभाविक रूप से अलग होने की अनुमति देता है, जिससे एक क्रमबद्ध, प्रोग्राम करने योग्य क्वांटम अवस्थाओं की धारा तैयार होती है जो उन्नत प्रौद्योगिकियों के लिए तैयार है।

इस कार्य का मूल एक नॉनलीनियर वेवगाइड (nonlinear waveguide) में निहित है, जो जुड़े हुए कैविटीज़ (cavities) की एक श्रृंखला से बना एक सूक्ष्म चैनल है। प्रत्येक कैविटी के भीतर, एक विशेष सामग्री फोटॉनों के बीच एक मजबूत अंतःक्रिया पैदा करती है, जो प्रभावी रूप से उन्हें सेटअप के आधार पर एक-दूसरे को प्रतिकर्षित या आकर्षित करने के लिए प्रेरित करती है। इस विशिष्ट प्रस्ताव में, वेवगाइड को उत्तेजित दो-स्तरीय उत्सर्जकों (two-level emitters) से भरा गया है, जो अनिवार्य रूप से कृत्रिम परमाणु हैं जिन्हें एक ऐसी आवृत्ति पर ट्यून किया गया है जो आने वाले प्रकाश से मेल नहीं खाती। पारंपरिक सेटअप में, यदि कोई परमाणु प्रकाश के साथ पूरी तरह से ट्यून नहीं है, तो वह उसे अनदेखा कर देता है। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने पाया कि इन उत्सर्जकों को एक विशिष्ट "वर्जित" ऊर्जा सीमा (forbidden energy range) में रखकर, वे एक अनूठी स्कैटरिंग प्रक्रिया को सक्रिय कर सकते हैं। जब एक एकल फोटॉन इन उत्तेजित उत्सर्जकों से टकराता है, तो वह सामान्य तरीके से टकराकर वापस नहीं लौटता या अवशोषित नहीं होता है। इसके बजाय, फोटॉन और परमाणु की ऊर्जा मिलकर फोटॉनों के एक नए, स्थिर जोड़े का निर्माण करती है जो एक एकल इकाई के रूप में एक साथ चलते हैं। शोधकर्ता इस इकाई को "डबलॉन" (doublon) कहते हैं।

यह रूपांतरण एक बहु-चरणीय प्रक्रिया का पहला चरण है। एक बार deublon बन जाने के बाद, यह वेवगाइड में आगे बढ़ता है जब तक कि यह दूसरे उत्तेजित उत्सर्जक से न टकरा जाए। क्योंकि deublon में एक एकल फोटॉन की तुलना में अधिक ऊर्जा होती है, यह दूसरे उत्सर्जक के साथ अंतःक्रिया करता है ताकि फोटॉनों का एक और बड़ा समूह बनाया जा सके, जिसे "ट्रिप्लों" (triplon) कहा जाता है। शोधकर्ता इसे एक 'कैस्केडिंग प्रभाव' के रूप में वर्णित करते हैं, जहाँ सिस्टम एक फोटॉन-संख्या एम्पलीफायर की तरह कार्य करता है, जो एक कण को दो, फिर तीन, और संभावित रूप से अधिक में बदल देता है। जो बात इस तंत्र को विशेष रूप से शक्तिशाली बनाती है, वह है इसका दिशात्मक नियंत्रण। कई पिछले प्रयासों में, इन समूहों के निर्माण से कण सभी दिशाओं में बिखर जाते थे, जिससे उन्हें पकड़ना कठिन हो जाता था। यहाँ, शोधकर्ताओं ने "स्यूडो-जायंट एटम" (pseudo-giant atom) की अवधारणा पेश की। जबकि भौतिक उत्सर्जक एक एकल बिंदु है, बाउंड फोटॉन जोड़ों के साथ इसके अंतःक्रिया करने के गणितीय विवरण से पता चलता है कि यह ऐसे व्यवहार करता है जैसे यह कई अलग-अलग बिंदुओं पर वेवगाइड से जुड़ा हो।

एक वास्तविक "जायंट एटम" विन्यास का उपयोग करके—जहाँ एक एकल उत्सर्जक भौतिक रूप से कई अलग-अलग स्थानों पर वेवगाइड से जुड़ा होता है—टीम प्रकाश के व्यतिकरण पैटर्न (interference patterns) को नियंत्रित कर सकी। यह नियंत्रण उन्हें नव-निर्मित फोटॉन समूहों को केवल एक ही दिशा में जाने के लिए निर्देशित करने की अनुमति देता है, जिससे पीछे की ओर स्कैटरिंग (backward scattering) रुक जाती है। अपने सिमुलेशन में, उन्होंने प्रदर्शित किया कि सही सेटिंग्स के साथ, वे 95% आने वाले एकल फोटॉन को आगे बढ़ने वाले deublon में बदल सकते हैं। जब उन्होंने ट्रिप्लों को बनाने के लिए इसे दूसरे चरण तक विस्तारित किया, तो रूपांतरण दक्षता लगभग 90% पर उच्च बनी रही। नियंत्रण का यह स्तर पिछले तरीकों से एक महत्वपूर्ण विचलन है, जो अक्सर अनुनाद स्कैटरिंग (resonant scattering) पर निर्भर करते थे जहाँ परमाणु और प्रकाश को आवृत्ति में पूरी तरह से मेल खाना चाहिए होता है, एक ऐसी स्थिति जिसे बनाए रखना कठिन है और जो अक्सर ऊर्जा हानि का कारण बनती है।

शायद इस प्रणाली की सबसे उल्लेखनीय विशेषता यह है कि यह परिणामों को स्वचालित रूप से छाँट देती है। क्योंकि एकल फोटॉन, जोड़ा और तिकड़ी, तीनों की आंतरिक संरचनाएँ भिन्न होती हैं, इसलिए वे अलग-अलग गति से यात्रा करते हैं। जैसे-जैसे वे वेवगाइड में आगे बढ़ते हैं, उनकी गति का यह अंतर उन्हें स्वाभाविक रूप से अलग कर देता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि एक छोटी दूरी के बाद, तीन अलग-अलग समूह अंतरिक्ष में पूरी तरह से अलग हो जाएंगे, और अलग-अलग समय पर पहुँचेंगे। इसका अर्थ है कि सिस्टम एक एकल आउटपुट उत्पन्न करता है जो वास्तव में तीन अलग-अलग क्वांटम अवस्थाओं का सुपरपोजिशन है, जिनमें से प्रत्येक अपना स्वयं का टाइम स्लॉट घेरता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि जायंट एटम और वेवगाइड के बीच कनेक्शन की ताकत को समायोजित करके, वे इन अवस्थाओं के सटीक मिश्रण को प्रोग्राम कर सकते हैं, यह तय कर सकते हैं कि आउटपुट का कितना हिस्सा एकल फोटॉन होना चाहिए, कितना जोड़ा, और कितना तिकड़ी।

यह शोध पत्र इस बात पर जोर देता है कि ये परिणाम प्रयोगशाला में किए गए भौतिक प्रयोगों के बजाय स्थापित क्वांटम मैकेनिकल उपकरणों का उपयोग करके किए गए कठोर संख्यात्मक सिमुलेशन (numerical simulations) पर आधारित हैं। शोधकर्ताओं ने सिस्टम को उन मापदंडों का उपयोग करके मॉडल किया जो वर्तमान में सुपरकंडक्टिंग सर्किट्स में प्राप्त करने योग्य हैं, जो क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए एक अग्रणी प्लेटफॉर्म है। उन्होंने गणना की कि पूरी प्रक्रिया कुछ माइक्रोसेकंड में पूरी हो जाएगी, जो वर्तमान क्वांटम हार्डवेयर द्वारा अपनी नाजुक क्वांटम विशेषताओं को खोने से पहले बनाए रखे जाने वाले समय की सीमा के भीतर है। सिमुलेशन ने पुष्टि की कि सिस्टम ऊर्जा और संभाव्यता (probability) का संरक्षण करता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि इनपुट फोटॉन विश्वसनीय रूप से वांछित आउटपुट अवस्थाओं में परिवर्तित हो जाता है और शोर (noise) में गायब नहीं होता है। शोधकर्ताओं ने यह भी उल्लेख किया कि यह दृष्टिकोण कई उत्सर्जकों के जटिल सरणियों (arrays) की आवश्यकता के बिना काम करता है, बल्कि बाउंड स्टेट्स के अंतर्निहित गति अंतर पर निर्भर करता है।

यह कार्य मांग के अनुसार जटिल क्वांटम संसाधनों को उत्पन्न करने के लिए एक नया मार्ग सुझाता है। इन सह-संबंधित फोटॉन समूहों को बनाकर, यह सिस्टम क्वांटम सिमुलेशन के लिए एक बहुमुखी उपकरण के रूप रूप में कार्य कर सकता है, जहाँ वैज्ञानिक जटिल सामग्रियों के व्यवहार की नकल करते हैं, या क्वांटम मेट्रोलॉजी के लिए, जिसमें अत्यंत सटीक माप शामिल हैं। "फ्लाइंग क्वबिट्स" (flying qubits) उत्पन्न करने की क्षमता, जो न केवल अपनी आंतरिक अवस्था में बल्कि अपने आगमन के समय और फोटॉन संख्या में भी एंटैंगल्ड (entangled) हैं, सूचना को एनकोड करने के नए अवसर खोलती है। शोधकर्ता प्रस्तावित करते हैं कि यह आर्किटेक्चर नॉनलीन ऑप्टिक्स और मेनी-बॉडी फिजिक्स के अध्ययन के बीच के अंतर को पाटता है, जो भविष्य के लिए 'एक्सोटिक' फोटोनिक मैटर बनाने का एक स्केलेबल तरीका प्रदान करता है। हालाँकि यह शोध पत्र यह दावा नहीं करता है कि इसने क्वांटम इंजीनियरिंग की सभी चुनौतियों को हल कर दिया है, लेकिन यह अत्यधिक सह-संबंधित और आसानी से अलग किए जाने योग्य मल्टी-फोटॉन अवस्थाओं को उत्पन्न करने के लिए एक ठोस, सैद्धांतिक रूप से सुदृढ़ ब्लूप्रिंट प्रदान करता है।