Experimental zero-added-loss multiplexing Bell-pair source for long-haul quantum networks

क्वांटम इंटरनेट का सपना कंप्यूटरों और सेंसरों को इस तरह से जोड़ने का है जो मौलिक रूप से सुरक्षित हो और उन समस्याओं को हल करने में सक्षम हो जिन्हें कोई भी साधारण मशीन कभी नहीं कर सकती। इसे साकार करने के लिए, वैज्ञानिकों को सूचना के नाजुक पैकेटों, जिन्हें क्वांटम अवस्थाएं (quantum states) कहा जाता है, को उनके विशेष गुणों को खोए बिना लंबी दूरी तक भेजना होगा। एक बड़ी बाधा यह रही है कि ये संकेत अविश्वसनीय रूप से नाजुक होते हैं; जैसे-जैसे वे फाइबर-ऑप्टिक केबलों के माध्यम से यात्रा करते हैं, वे धुंधले पड़ जाते हैं, और यदि आप उन्हें एक सामान्य रेडियो सिग्नल की तरह बढ़ाने की कोशिश करते हैं, तो आप उसी जानकारी को नष्ट कर देते हैं जिसे वे ले जा रहे हैं। इसका समाधान 'एंटैंगलमेंट स्वैपिंग' (entanglement swapping) नामक एक प्रक्रिया में निहित है, जो क्वांटम सूचना के लिए एक रिले रेस की तरह कार्य करती है। दो जुड़े हुए कणों के जोड़ों की कल्पना करें: यदि आप प्रत्येक जोड़े से एक सदस्य को एक साथ लाते हैं और एक विशिष्ट माप करते हैं, तो शेष दो कण, जो कभी मिले भी नहीं थे, तुरंत आपस में जुड़ जाते हैं। यह एक नेटवर्क को चरण दर चरण अपनी पहुंच बढ़ाने की अनुमति देता है। हालाँकि, इसे कुशलतापूर्वक करना कठिन रहा है क्योंकि यह प्रक्रिया संभाव्यता (probabilistic) पर आधारित है, जिसका अर्थ है कि यह अक्सर विफल हो जाती है, और एक साथ कई चैनलों को चलाने के पिछले प्रयासों ने या तो बहुत अधिक शोर पैदा किया या ऐसे जटिल, कस्टम-निर्मित उपकरणों की आवश्यकता पड़ी जो मौजूदा दूरसंचार बुनियादी ढांचे में फिट नहीं बैठते थे।

शोधकर्ताओं के एक दल ने अब इन बाधाओं को दूर करने का एक व्यावहारिक तरीका प्रदर्शित किया है, जिससे एंटैंगल्ड जोड़ों का एक ऐसा स्रोत बनाया गया है जो तेज़ भी है और मानक फाइबर नेटवर्क के अनुकूल भी है। उन्होंने एक ऐसी प्रणाली बनाई जो 'जीरो-ऐडेड-लॉस मल्टीप्लेक्सिंग' (zero-added-loss multiplexing) नामक तकनीक का उपयोग करती है, जो अनिवार्य रूप से सिग्नल हानि या भ्रम के सामान्य दंड के बिना एक ही समय में कई समानांतर क्वांटम चैनलों को चलाती है। एक एकल, पूर्ण चैनल को अधिक मेहनत करने के लिए मजबूर करने के बजाय, उन्होंने प्रकाश की उस प्राकृतिक क्षमता का उपयोग किया जिससे वह एक साथ कई अलग-अलग रंगों, या आवृत्तियों (frequencies), को ले जा सकता है। कणों को बनाने वाले लेजर पल्स को सावधानीपूर्वक आकार देकर और इन रंगों को अलग करने के लिए मानक वाणिज्यिक फिल्टरों का उपयोग करके, वे सफलतापूर्वक सोलह अलग-अलग चैनलों को समानांतर में चलाने में सफल रहे। शोधकर्ताओं ने अपने सिस्टम को एक ऐसे लेजर के साथ संचालित किया जो प्रति सेकंड तीन अरब बार पल्स करता है, जो एक ऐसी गति है जो आधुनिक मानकों के अनुसार भी अविश्वसनीय रूप से तेज़ है, जिससे इस प्रकार के आर्किटेक्चर के लिए पहले पहुंच से बाहर रही दर पर एंटैंगल्ड जोड़े उत्पन्न करना संभव हुआ।

उनके प्रयोग का मुख्य हिस्सा इन सोलह समानांतर प्रकाश धाराओं को लेना और उन सभी पर एक साथ एंटैंगलमेंट स्वैपिंग की प्रक्रिया को लागू करना था। उन्होंने कणों को एक ऐसी व्यवस्था के माध्यम से भेजा जहाँ उन्हें मापा और स्वैप किया जा सके, जिससे प्रभावी रूप से नेटवर्क के दूरस्थ हिस्सों को जोड़ा जा सके। परिणाम आश्चर्यजनक थे: सभी सोलह चैनलों में, सिस्टम ने 93.9 प्रतिशत की उच्च औसत फिडेलिटी (fidelity) बनाए रखी, जिसका अर्थ है कि प्रक्रिया की जटिलता के बावजूद क्वांटम लिंक मजबूत और सटीक बना रहा। कुल मिलाकर, सिस्टम ने प्रति सेकंड 5.38 बार एंटैंगल्ड जोड़ों को सफलतापूर्वक स्वैप किया। जब शोधकर्ताओं ने अपने डिटेक्टरों की दक्षता और सिस्टम के विशिष्ट डिजाइन का हिसाब लगाया, तो यह प्रति सेकंड 800 से अधिक एंटैंगल्ड जोड़े उत्पन्न करने की संभावित दर में परिवर्तित हो गया। यह एक महत्वपूर्ण छलांग है, जो यह दिखाती है कि क्वांटम नेटवर्क को पूरी तरह से नई, अप्रमाणित खोजों की प्रतीक्षा करने के बजाय मौजूदा तकनीक का उपयोग करके बढ़ाया जा सकता है।

जो इस उपलब्धि को विशेष रूप से उल्लेखनीय बनाता है, वह है यह कि यह गति और गुणवत्ता के बीच कैसे संतुलन बनाती है। कई पिछले प्रयासों में, प्रक्रिया की गति बढ़ाने से कनेक्शन की गुणवत्ता में गिरावट आई, या इसके लिए इतने संकीर्ण फिल्टरिंग की आवश्यकता पड़ी कि अधिकांश सिग्नल ही खो गया। यहाँ, शोधकर्ता यह सुनिश्चित करने में सफल रहे कि कण स्पेक्ट्रली शुद्ध (spectrally pure) रहें, जिसका अर्थ है कि प्रत्येक रंग का प्रकाश अलग और स्पष्ट था, बिना किसी अतिरिक्त, नुकसानदेह फिल्टर की आवश्यकता के। उन्होंने इसे उस क्रिस्टल की लंबाई को सटीक रूप से इंजीनियर करके और लेजर पल्स को दूरसंचार में उपयोग किए जाने वाले मानक फिल्टरों के बैंडविड्थ के भीतर पूरी तरह से फिट होने के लिए आकार देकर हासिल किया। यह दृष्टिकोण सुनिश्चित करता है कि सिस्टम को हार्डवेयर के पूर्ण बदलाव की आवश्यकता के बिना वैश्विक फाइबर-ऑप्टिक नेटवर्क में एकीकृत किया जा सके। टीम ने यह भी दिखाया कि उनकी विधि तब भी अच्छी तरह काम करती है जब लेजर पल्स समय में एक-दूसरे के बहुत करीब होते हैं, जो एक ऐसी स्थिति है जो अन्य प्रणालियों में त्रुटियां पैदा करती है।

आगे देखते हुए, शोधकर्ताओं ने अपने प्रयोगात्मक डेटा का उपयोग यह मॉडल करने के लिए किया कि क्या संभव हो सकता है यदि वे शेष नुकसान के स्रोतों को कम कर सकें और चैनलों की संख्या बढ़ा सकें। उनके सिमुलेशन सुझाव देते हैं कि यदि वे और भी सघन आवृत्ति अंतराल (frequency spacing) का उपयोग करें और डिटेक्टरों की दक्षता में सुधार करें, तो सिस्टम अंततः उच्च फिडेलिटी बनाए रखते हुए प्रति सेकंड एक अरब एंटैंगल्ड जोड़े की दर तक पहुँच सकता है। यह लंबी दूरी के क्वांटम रिपीटर्स (quantum repeaters) बनाने के लिए एक महत्वपूर्ण दहलीज होगी, जो महाद्वीपों तक क्वांटम नेटवर्क का विस्तार करने के लिए आवश्यक उपकरण हैं। जबकि वर्तमान प्रयोग एक 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' है, यह वास्तविकता में बदलने के लिए आवश्यक प्रमुख क्षमताओं को स्थापित करता है। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि हाई-रेट क्वांटम इंटरनेट का मार्ग मौजूदा बुनियादी ढांचे को छोड़ने की आवश्यकता नहीं है, बल्कि हम अपने फाइबर-ऑप्टिक केबलों में पहले से उपलब्ध विशाल क्षमता का उपयोग कैसे करते हैं, इसे परिष्कृत करने की आवश्यकता है। यह सिद्ध करके कि ऑफ-द-शेल्फ घटकों के साथ हाई-स्पीड, हाई-फिडेलिटी एंटैंगलमेंट स्वैपिंग संभव है, यह शोध एक वैश्विक क्वांटम नेटवर्क के व्यावहारिक कार्यान्वयन की दिशा में एक स्केलेबल मार्ग प्रदान करता है।