A tunable chiral light–matter interface with on-chip spin control

क्वांटम यांत्रिकी द्वारा संचालित भविष्य के इंटरनेट के निर्माण की खोज में, वैज्ञानिक सबसे सूक्ष्म स्तरों पर प्रकाश और पदार्थ के विचित्र व्यवहार का लाभ उठाना सीख रहे हैं। इस क्षेत्र में एक प्रमुख विचार "कायरैलिटी" (chirality) है, जो एक ऐसा गुण है जहाँ किसी वस्तु या अंतःक्रिया की एक विशिष्ट 'हाथ की बनावट' (handedness) होती है, ठीक वैसे ही जैसे एक बाएँ हाथ को दाएँ हाथ पर पूरी तरह से आरोपित नहीं किया जा सकता। प्रकाश के सूक्ष्म चैनलों से होकर गुजरने वाली दुनिया में, कायरैलिटी का अर्थ है कि फोटॉन जिस दिशा में चलता है, वह उसके स्पिन (spin), या यात्रा करते समय उसके घूमने के तरीके से बंधा होता है। यदि एक फोटॉन एक दिशा में घूम रहा है, तो वह केवल आगे ही बढ़ सकता है; यदि वह दूसरी दिशा में घूमता है, तो वह केवल पीछे ही जा सकता है। यह एकतरफा यातायात क्वांटम नेटवर्क बनाने के लिए अविश्वसनीय रूप से मूल्यवान है, क्योंकि यह सूचना को बिना खोए या खुद के साथ हस्तक्षेप करने के लिए वापस उछलने के बिना रूट करने की अनुमति देता है। हालाँकि, कंप्यूटर चिप के भीतर प्रकाश के लिए एक आदर्श एकतरफा सड़क बनाना कठिन रहा है क्योंकि उपयोग की जाने वाली सामग्रियाँ अक्सर प्रकाश को अपूर्ण तरीकों से मुड़ने देती हैं, जिससे कुछ फोटॉन गलत दिशा में लीक हो जाते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब बिना स्वयं चिप के भौतिक डिजाइन को बदले इस समस्या को हल करने का एक तरीका खोज लिया है। सामग्री के भीतर एक आदर्श पथ उकेरने के बजाय, उन्होंने चिप के भीतर प्रकाश उत्सर्जक परमाणुओं के व्यवहार को ट्यून करने के लिए एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग किया। चुंबकीय क्षेत्र के कोण और शक्ति को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, वे प्रकाश को लगभग पूर्ण दक्षता के साथ एक ही चुनी हुई दिशा में प्रवाहित करने के लिए मजबूर करने में सक्षम रहे। यह सफलता एक मानक, अपूर्ण चिप को क्वांटम सूचना को नियंत्रित करने के लिए एक अत्यधिक सटीक उपकरण में बदल देती है, जो दूर स्थित कंप्यूटरों को जोड़ने वाले बड़े पैमाने के क्वांटम नेटवर्क बनाने के लिए एक लचीला मार्ग खोलती है।

शोधकर्ताओं ने एक 'फोटोनिक-क्रिस्टल वेवगाइड' (photonic-crystal waveguide) नामक एक छोटे उपकरण के साथ काम किया, जो अनिवार्य रूप से एक अर्धचालक (semiconductor) में उकेरा गया प्रकाश का एक सूक्ष्म राजमार्ग है। इस राजमार्ग के भीतर एक एकल 'क्वांटम डॉट' (quantum dot) स्थित है, जो एक नैनोस्केल कण है जो एक कृत्रिम परमाणु की तरह कार्य करता है। इस क्वांटम डॉट में एक ऋणात्मक रूप से आवेशित 'एक्सिटोन' (exciton) होता है, जो एक ऐसी अवस्था है जहाँ एक इलेक्ट्रॉन और एक "होल" (इलेक्ट्रॉन की अनुपस्थिति) एक साथ बंधे होते हैं, जो एक चार-स्तरीय प्रणाली (four-level system) बनाते हैं जो प्रकाश के साथ अंतःक्रिया कर सकती है। एक विशिष्ट सेटअप में, वेवगाइड के माध्यम से यात्रा करने वाला प्रकाश पूरी तरह से गोलाकार ध्रुवीकृत (circularly polarized) नहीं होता है; यह थोड़ा दीर्घवृत्ताकार (elliptical) होता है, जिसका अर्थ है कि यह इस तरह से घूमता है जो पूरी तरह से गोल नहीं है। यह अपूर्णता आमतौर पर प्रकाश को दोनों दिशाओं में लीक होने का कारण बनती है, जिससे एकतरफा प्रभाव खराब हो जाता है।

इस समस्या को हल करने के लिए, टीम ने चिप पर एक चुंबकीय क्षेत्र लागू किया। उन्होंने पाया कि चुंबकीय क्षेत्र को एक विशिष्ट तिरछे कोण (oblique angle) पर झुकाकर, वे क्वांटम डॉट की आंतरिक ऊर्जा स्तरों के प्रकाश के साथ होने वाली अंतःक्रिया के तरीके को बदल सकते हैं। यह समायोजन प्रभावी रूप से डॉट के भीतर प्रकाश-उत्सर्जक द्विध्रुवों (dipoles) के ओरिएंटेशन को घुमा देता है। प्रकाश उत्सर्जक भागों की कल्पना छोटे एंटेना के रूप में करें; चुंबकीय क्षेत्र ने वैज्ञानिकों को इन एंटेनाओं को तब तक घुमाने की अनुमति दी जब जब तक कि वे वेवगाइड में केवल एक दिशा में प्रकाश भेजने के लिए पूरी तरह से संरेखित न हो जाएं, जबकि विपरीत दिशा में किसी भी उत्सर्जन को रद्द कर दिया गया। भले ही वेवगाइड स्वयं इस कार्य के लिए पूरी तरह से डिज़ाइन नहीं किया गया था, चुंबकीय ट्यूनिंग ने उस दोष की भरपाई कर दी। परिणाम स्वरूप, दिशात्मक उत्सर्जन दक्षता 99 प्रतिशत रही, जिसमें प्रकाश का बहुत छोटा हिस्सा ही गलत दिशा में गया।

केवल प्रकाश को निर्देशित करने के अलावा, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह चुंबकीय नियंत्रण यह भी नियंत्रित कर सकता है कि सिस्टम अधिक जटिल तरीकों से कैसे व्यवहार करता है। उन्होंने देखा कि चुंबकीय क्षेत्र एक प्रकार के प्रकाश उत्सर्जन पर दूसरे प्रकार के ऊपर एक मजबूत प्राथमिकता बना सकता है, जिसे वे "कायरल ब्रांचिंग रेशियो" (chiral branching ratio) कहते हैं। एक विशिष्ट विन्यास में, उन्होंने एक ऐसा अनुपात प्राप्त किया जहाँ एक प्रकार का संक्रमण दूसरे की तुलना में 134 गुना अधिक संभावित था। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि यह वैज्ञानिकों को न केवल यह नियंत्रित करने की अनुमति देता है कि प्रकाश कहाँ जाता है, बल्कि यह भी कि प्रक्रिया में इलेक्ट्रॉन की कौन सी आंतरिक अवस्था शामिल है। इस स्तर का नियंत्रण "साइक्लिंग" (cycling) प्रणालियों को बनाने के लिए आवश्यक है, जहाँ एक इलेक्ट्रॉन को बार-बार उत्तेजित किया जा सकता है और प्रकाश उत्सर्जित किया जा सकता है बिना अपनी मौलिक अवस्था को बदले, जो क्वांटम सूचना को विश्वसनीय रूप से पढ़ने और लिखने के लिए एक आवश्यकता है।

टीम ने यह भी प्रदर्शित किया कि इस सेटअप का उपयोग वेवगाइड के माध्यम से यात्रा करने वाले प्रकाश का उपयोग करके सीधे इलेक्ट्रॉन के स्पिन को नियंत्रित करने के लिए किया जा सकता है। 'रामन स्कैटरिंग' (Raman scattering) नामक एक प्रक्रिया का उपयोग करके, जहाँ दो फोटॉन इलेक्ट्रॉन के स्पिन को बदलने के लिए अंतःक्रिया करते हैं, वे उच्च सटीकता के साथ इलेक्ट्रॉन की अवस्था को घुमाने में सक्षम थे। यह क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए एक महत्वपूर्ण कदम है, क्योंकि यह सिद्ध करता है कि प्रत्येक ऑपरेशन के लिए जटिल बाहरी वायरिंग की आवश्यकता के बिना चिप पर सूचना को हेरफेर किया जा सकता है। चुंबकीय क्षेत्र ने इस प्रक्रिया को अनुकूलित करने में मदद की, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि प्रकाश स्पिन परिवर्तनों को कुशलतापूर्वक संचालित करे और अनचाहे शोर या त्रुटियों को कम करे।

अंत में, शोधकर्ताओं ने दो दूरस्थ क्वांटम कंप्यूटरों के बीच 'एंटैंगलमेंट' (entanglement) बनाने के लिए इस तकनीक का उपयोग करने का प्रस्ताव दिया। एंटैंगलमेंट एक ऐसी घटना है जहाँ दो कण इस तरह जुड़े होते हैं कि एक की अवस्था तुरंत दूसरे को प्रभावित करती है, चाहे दूरी कितनी भी हो। उनके प्रोटोकॉल में दो अलग-अलग चिप्स से प्रकाश को एक केंद्रीय 'बीम स्प्लिटर' (beam splitter) में भेजना शामिल है। चूंकि चुंबकीय क्षेत्र यह सुनिश्चित करता है कि प्रकाश उच्च दक्षता के साथ केवल एक ही दिशा में यात्रा करे, इसलिए सिस्टम एक एकल फोटॉन का पता लगा सकता है और, उस पहचान के आधार पर, पुष्टि कर सकता है कि दो दूरस्थ इलेक्ट्रॉन स्पिन आपस में एंटैंगल्ड हो गए हैं। शोध पत्र सुझाव देता है कि यह विधि सिग्नल हानि के प्रति पिछले दृष्टिकोणों की तुलना में बहुत अधिक मजबूत है, जो इसे वास्तविक दुनिया के क्वांटम इंटरनेट के निर्माण के लिए एक व्यावहारिक उम्मीदवार बनाती है।

यह कार्य नैनोफोटोनिक उपकरणों के प्रति वैज्ञानिकों के दृष्टिकोण में आए बदलाव को उजागर करता है। एक पूर्ण, स्थिर संरचना बनाने के बजाय जिसे बनाना कठिन है, वे चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करके डिवाइस के गुणों को गतिशील रूप से पुनर्गठित कर रहे हैं। इस दृष्टिकोण का अर्थ है कि मानक, अपूर्ण चिप्स को केवल एक बाहरी नॉब (knob) को समायोजित करके उच्चतम स्तर की सटीकता के साथ प्रदर्शन करने के लिए अपग्रेड किया जा सकता है। ये निष्कर्ष एक बहुमुखी टूलकिट प्रदान करते हैं जो चिप पर प्रकाश और पदार्थ की अंतःक्रिया को बढ़ाने के काम आता है, और भविष्य के लिए आवश्यक जटिल क्वांटम नेटवर्क बनाने के लिए एक स्पष्ट और पुनर्गठित मार्ग प्रदान करता है।