Real-Time Quantum Vacuum Control in a Photonic Integrated Circuit
यह शोध पत्र एक GaAs वेवगाइड में मोनोलिथिक रूप से एकीकृत मिरर-फेज़शिफ्टर-एमिटर सिस्टम को प्रदर्शित करता है जो एक नैनो-ऑप्टो-इलेक्ट्रो-मैकेनिकल फेज़ शिफ्टर का उपयोग करके क्वांटम डॉट और उसके दर्पण प्रतिबिंब के बीच ऑप्टिकल फेज़ को सक्रिय रूप से नियंत्रित करता है, जिससे प्रोग्राम करने योग्य क्वांटम फोटोनिक नेटवर्क के लिए ऑप्टिकल अवस्थाओं के स्थानीय घनत्व और एमिटर की रेडिएटिव डिके दर का वास्तविक समय में मॉड्यूलेशन सक्षम होता है।
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क्वांटम भौतिकी की सूक्ष्म दुनिया में, प्रकाश केवल यात्रा नहीं करता; यह खाली स्थान के ताने-बाने के साथ अंतःक्रिया करता है। एक पूर्ण निर्वात में भी, जहाँ कोई कण मौजूद नहीं होते, ऊर्जा की एक निरंतर, थरथराहट भरी गूँज होती है जिसे क्वांटम वैक्यूम (quantum vacuum) कहा जाता है। यह बैकग्राउंड शोर केवल एक सैद्धांतिक जिज्ञासा नहीं है; यह निर्धारित करता है कि एक परमाणु या एक छोटा प्रकाश स्रोत कितनी तेज़ी से फोटॉन छोड़ सकता है। यदि आप एक दर्पण के पास प्रकाश स्रोत रखते हैं, तो दर्पण प्रकाश को वापस परावर्तित करता है, जिससे उस प्रकाश में बाधा आती है जो बाहर निकलने की कोशिश कर रहा है। दूरी के आधार पर, यह हस्तक्षेप या तो प्रकाश के उत्सर्जन को तेज़ कर सकता है या उसे धीमा कर सकता है, प्रभावी रूप से यह बदल देता है कि उस स्रोत के आसपास का वैक्यूम स्वयं कैसे व्यवहार करता है। दशकों से, वैज्ञानिक ठोस-अवस्था (solid-state) उपकरणों में इस अंतःक्रिया को नियंत्रित करना चाहते थे, जो भविष्य के क्वांटम कंप्यूटरों के निर्माण खंड हैं। हालाँकि, इन तकनीकों में उपयोग किए जाने वाले सूक्ष्म, जमे हुए सर्किटों में, प्रकाश को ट्यून करने के पारंपरिक तरीके विफल रहे हैं, जिससे शोधकर्ता उपकरण बनने के बाद वैक्यूम की स्थितियों को समायोजित करने में असमर्थ रह गए।
कोपेनहेगन विश्वविद्यालय और रूहर-यूनिवर्सिटी बॉखम के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक ऐसा उपकरण बनाकर इस सीमा को पार कर लिया है जो वास्तविक समय में वैक्यूम को सक्रिय रूप से ट्यून कर सकता है। उन्होंने गैलियम आर्सेनाइड से बनी चिप पर एक सूक्ष्म सर्किट बनाया, जो एक सामान्य अर्धचालक सामग्री है। इस चिप के भीतर, उन्होंने एक एकल क्वांटम डॉट रखा, जो एक छोटे, कृत्रिम परमाणु की तरह कार्य करता है जो प्रकाश उत्सर्जित करता है। इस परमाणु का अपने परिवेश के साथ कैसे अंतःक्रिया होता है, इसे नियंत्रित करने के लिए, टीम ने दूसरे परमाणु या एक जटिल दर्पण प्रणाली का उपयोग नहीं किया। इसके बजाय, उन्होंने एक "आभासी" (virtual) दर्पण बनाया। उन्होंने एक वेवगाइड (waveguide), जो प्रकाश को निर्देशित करने वाला एक संकीर्ण चैनल है, के एक छोर पर एक फोटोनिक क्रिस्टल रिफ्लेक्टर रखा, और क्वांटम डॉट तथा इस रिफ्लेक्टर के बीच एक छोटा, गतिशील यांत्रिक घटक डाला। एक छोटा वोल्टेज लगाकर, वे इस घटक की स्थिति को भौतिक रूप से बदल सकते थे, जिससे प्रकाश द्वारा तय की जाने वाली दूरी बदल जाती थी कि वह वापस टकराने से पहले कितनी दूर जाता है। यह गति लौटते हुए प्रकाश के 'फेज' (phase) को बदल देती है, जिससे चिप के भीतर एक स्टैंडिंग वेव पैटर्न प्रभावी रूप से बदल जाता है।
इसका परिणाम एक ऐसी प्रणाली है जहाँ शोधकर्ता अपनी इच्छा के अनुसार यह तय कर सकते हैं कि क्वांटम डॉट उस स्थान पर स्थित है जहाँ वह तेज़ी से प्रकाश उत्सर्जित करता है या जहाँ उसे अपनी ऊर्जा को अधिक समय तक थामे रखने के लिए मजबूर किया जाता है। अपने प्रयोगों में, उन्होंने देखा कि वोल्टेज को समायोजित करके, वे क्वांटम डॉट के क्षय (decay) की दर, या उसकी ऊर्जा छोड़ने की दर को पचास प्रतिशत से अधिक बदल सकते थे। जब स्थितियाँ अधिकतम उत्सर्जन के लिए सेट की गईं, तो प्रकाश तेज़ी से उत्सर्जित हुआ; जब दमन (suppression) के लिए सेट किया गया, तो वह धीरे-धीरे उत्सर्जित हुआ। महत्वपूर्ण रूप से, यह नियंत्रण प्रकाश की शुद्धता को नष्ट किए बिना हुआ। फोटॉन एकल और विशिष्ट बने रहे, जो किसी भी उपयोगी क्वांटम नेटवर्क के लिए एक आवश्यकता है। टीम ने यह भी पाया कि चिप से निकलने वाले प्रकाश की तीव्रता इन क्षय दरों के साथ तालमेल बिठाकर बदली, जिससे पुष्टि हुई कि वे सफलतापूर्वक उत्सर्जक के स्थानीय वातावरण को सफलतापूर्वक नियंत्रित कर रहे थे।
यह उपलब्धि महत्वपूर्ण है क्योंकि यह क्वांटम तकनीक को बड़े पैमाने पर विकसित करने की एक बड़ी समस्या को हल करती है। वर्तमान ठोस-अवस्था प्रणालियों में, इन प्रकाश-उत्सर्जक डॉट्स की स्थिति यादृच्छिक (random) होती है, जो उनके निर्माण की अराजक प्रक्रिया द्वारा निर्धारित होती है। एक बार बन जाने के बाद, डॉट और उसके परिवेश के बीच की दूरी स्थिर हो जाती है, जिसका अर्थ है कि वैक्यूम के साथ उसकी अंतःक्रिया लॉक हो जाती है। यदि डॉट किसी खराब स्थान पर है, तो उपकरण खराब प्रदर्शन करता है, और इसे ठीक करने का कोई तरीका नहीं है। नया उपकरण एक प्रोग्रामेबल इंटरफेस के रूप में कार्य करता है। एक मैकेनिकल फेज शिफ्टर को एकीकृत करके जो नैनोमीटर सटीकता के साथ हिल सकता है, शोधकर्ता चिप बनने के बाद प्रकाश की स्टैंडिंग वेव को क्वांटम डॉट के साथ संरेखित कर सकते हैं। यह एक स्थिर, संभावित रूप से त्रुटिपूर्ण घटक को एक ट्यूनेबल संसाधन में बदल देता है। टीम ने प्रदर्शित किया कि यह नियंत्रण क्वांटम डॉट्स द्वारा उत्सर्जित रंगों की एक विस्तृत श्रृंखला में काम करता है, जो यह सिद्ध करता है कि प्रणाली मजबूत और बहुमुखी है।
यह उपकरण अत्यंत कम तापमान पर संचालित होता है, जो परम शून्य (absolute zero) के करीब होता है, जो क्वांटम डॉट्स के सही ढंग से कार्य करने के लिए आवश्यक है। सिस्टम का यांत्रिक भाग अविश्वसनीय रूप से छोटा है, जो मानव बाल की चौड़ाई के एक अंश मात्र चलता है, फिर भी यह प्रकाश के फेज को एक पूर्ण चक्र (full cycle) तक बदलने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली है। शोधकर्ताओं ने प्रकाश के उत्सर्जित होने में लगने वाले समय को मापा और पाया कि उत्तेजित अवस्था (excited state) के जीवनकाल को इच्छानुसार छोटा या लंबा किया जा सकता था। उन्होंने यह भी सत्यापित किया कि प्रकाश एक एकल फोटॉन बना रहा, जो क्वांटम संचार के लिए आवश्यक है। प्रकाश की तीव्रता और क्षय दरों में बदलाव का मानचित्रण करके, वे वेवगाइड के भीतर क्वांटम डॉट्स के सटीक स्थान को लगभग एक नैनोमीटर की सटीकता के साथ निर्धारित करने में सक्षम थे। विवरण का यह स्तर उन्हें उपकरण को नष्ट किए बिना वेवगाइड के साथ प्रकाश स्रोत के संबंध की गुणवत्ता का लक्षण वर्णन करने की अनुमति देता है।
यह कार्य बड़े पैमाने के क्वांटम नेटवर्क बनाने के लिए एक नया आधार स्थापित करता है। भविष्य में, ऐसे सर्किट कई क्वांटम डॉट्स को एक साथ जोड़ सकते हैं, जिससे उन्हें जटिल तरीकों से संवाद करने और अंतःक्रिया करने की अनुमति मिलेगी। इन उत्सर्जकों के बीच प्रकाश के फेज को नियंत्रित करने की क्षमता का अर्थ है कि वैज्ञानिक अंतःक्रियाओं को प्रोग्राम कर सकते हैं, जिससे विशिष्ट क्वांटम अवस्थाओं को मांग के अनुसार बनाया जा सकता है। शोधकर्ताओं का सुझाव है कि इस दृष्टिकोण को अन्य प्रकार के क्वांटम उत्सर्जकों तक विस्तारित किया जा सकता है और जटिल सर्किटों में एकीकृत किया जा सकता है, जिनमें वे ऑप्टिकल कैविटीज़ शामिल हैं जो प्रकाश-पदार्थ अंतःक्रिया को बढ़ाते हैं। वैक्यूम वातावरण को प्रोग्राम करने योग्य बनाकर, उन्होंने पुन: विन्यास योग्य (reconfigurable) क्वांटम फोटोनिक सर्किटों की ओर एक मार्ग खोल दिया है, जहाँ गणना या संचार कार्य की आवश्यकताओं के अनुरूप प्रकाश के व्यवहार को वास्तविक समय में इंजीनियर किया जा सकता है। यह अध्ययन सिद्ध करता है कि ठोस-अवस्था चिप्स में क्वांटम वैक्यूम उतार-चढ़ाव पर सक्रिय नियंत्रण का मायावी लक्ष्य न केवल संभव है, बल्कि व्यावहारिक भी है, जो अगली पीढ़ी की क्वांटम तकनीक की ओर एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है।
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