Intrinsic Vectorial Gradiometry via Quantum Control of a Spin-based Sensor
यह शोध पत्र एक एकल स्पिन-आधारित सेंसर के लिए एक क्वांटम नियंत्रण प्रोटोकॉल प्रस्तुत करता है जो पारंपरिक मल्टी-सेंसर आर्किटेक्चर की सीमाओं को दूर करने के लिए अंतर्निहित वेक्टरियल ग्रेडियोमेट्री को सक्षम बनाता है, जो चुंबकीय विसंगति का पता लगाने और न्यूरोनल एक्शन पोटेंशियलल की निगरानी जैसे अनुप्रयोगों के लिए उच्च-परिशुद्धता विभेदक सेंसिंग का प्रदर्शन करता है।
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कल्पना कीजिए कि आप एक ऐसे कमरे में फुसफुसाहट सुनने की कोशिश कर रहे हैं जहाँ एक पंखा लगातार तेज़ आवाज़ में गूँज रहा है। फुसफुसाहट सुनने के लिए, आपको आमतौर पर पंखे को बंद करना होगा या अपने चारों ओर एक ध्वनि-रोधी दीवार बनानी होगी। चुंबकीय क्षेत्रों को मापने की दुनिया में, वैज्ञानिक इसी तरह की समस्या का सामना करते हैं। पृथ्वी स्वयं एक विशाल, स्थिर चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करती है, और इलेक्ट्रॉनिक उपकरण अपना स्वयं का निरंतर चुंबकीय शोर पैदा करते हैं। जब शोधकर्ता सूक्ष्म, क्षणिक चुंबकीय संकेतों का पता लगाने की कोशिश करते हैं—जैसे कि ज़मीन के नीचे छिपी किसी धातु की वस्तु से या मानव मस्तिष्क की हल्की विद्युत गतिविधि से—तो यह पृष्ठभूमि का शोर उन्हें दबा देता है। पारंपरिक रूप से, समाधान शोर को रोकने के लिए भारी, महंगे शील्ड (shields) बनाने का रहा है, लेकिन अक्सर फील्ड में या अस्पताल के अंदर ऐसा करना असंभव होता है। एक बेहतर दृष्टिकोण दो बिंदुओं के बीच के अंतर को मापना है, जिसे 'ग्रैडियोमेट्री' (gradiometry) नामक तकनीक कहा जाता है। दो सेंसरों की तुलना करके, निरंतर पृष्ठभूमि का शोर रद्द हो जाता है, जिससे केवल बदलता हुआ संकेत ही बचता है। हालाँकि, दो अलग-अलग सेंसरों का उपयोग करने से एक नई समस्या उत्पन्न होती है: यदि सेंसर पूरी तरह से समान या पूरी तरह से संरेखित नहीं हैं, तो रद्दीकरण (cancellation) अपूर्ण होता है, और शोर छनकर आ जाता है, जिससे नाजुक संकेत धुंधला हो जाता है।
यूनीवर्सिटी ऑफ द बास्क कंट्री के शोधकर्ताओं की एक टीम ने बिना दो सेंसरों या भारी शील्ड की आवश्यकता के इसे हल करने का एक तरीका प्रस्तावित किया है। उन्होंने एक ऐसी विधि विकसित की है जो एक ही, छोटे क्वांटम सेंसर का उपयोग करके समय और स्थान के साथ चुंबकीय क्षेत्र के अंतर को मापती है, जो प्रभावी रूप से अपने स्वयं के संदर्भ बिंदु (reference point) के रूप में कार्य करती है। उनका कार्य, जो हाल ही में एक अध्ययन में विस्तृत किया गया है, क्वांटम नियंत्रणों का एक विशिष्ट क्रम पेश करता है जो एक एकल सेंसर को पृष्ठभूमि के शोर को स्वयं से घटाने की अनुमति देता है। दो अलग-अलग उपकरणों के माध्यम से नोट्स की तुलना करने के बजाय, यह एकल सेंसर चुंबकीय क्षेत्र की एक "तस्वीर" (snapshot) लेता है, एक क्षण प्रतीक्षा करता है, और फिर दूसरी तस्वीर लेता है। इन दो क्षणों की तुलना करके, यह क्षेत्र के परिवर्तन को अलग करता है जबकि निरंतर पृष्ठभूमि को अनदेखा कर देता है। यह दृष्टिकोण, जिसे टीम 'इंट्रिन्सिक वेक्टरियल ग्रैडियोमेट्री' (intrinsic vectorial gradiometry) कहती है, चुंबकीय सेंसरों को बहुत अधिक संवेदनशील और बहुमुखी बनाने का वादा करता है, जो शोर वाले वातावरण में सूक्ष्म संकेतों का पता लगाने में सक्षम है जहाँ पारंपरिक तरीके विफल हो जाते हैं।
इस नई विधि का मूल आधार यह है कि शोधकर्ता हीरे में नाइट्रोजन-वैकेंसी (nitrogen-vacancy) केंद्रों से बने एक सेंसर की क्वांटम अवस्था को कैसे नियंत्रित करते हैं। ये हीरे के क्रिस्टल में सूक्ष्म दोष हैं जहाँ एक नाइट्रोजन परमाणु एक लुप्त कार्बन परमाणु के बगल में स्थित होता है, जो चुंबकीय क्षेत्रों के लिए एक संवेदनशील प्रोब (probe) के रूप में कार्य करता है। शोधकर्ताओं ने एक सटीक पल्स सीक्वेंस (pulse sequence) तैयार किया है, जो समयबद्ध विद्युत चुम्बकीय स्पंदों (electromagnetic pulses) की एक श्रृंखला है, जो सेंसर को एक विशिष्ट दिनचर्या के माध्यम से निर्देशित करती है। सबसे पहले, सेंसर को तैयार किया जाता है और फिर उसे थोड़े समय के लिए चुंबकीय क्षेत्र के साथ बातचीत करने दिया जाता है। इसके बाद, सेंसर को संक्षिप्त रूप से रोका जाता है या उसकी स्थिति को हीरे के भीतर एक परमाणु स्मृति (nuclear memory) में स्थानांतरित कर दिया जाता है, जिससे चुंबकीय वातावरण बदलने की अनुमति मिलती है। अंत में, सेंसर चुंबकीय क्षेत्र के साथ फिर से बातचीत करता है। जब शोधकर्ता सेंसर की अंतिम अवस्था को पढ़ते हैं, तो परिणाम चुंबकीय क्षेत्र की कुल शक्ति नहीं, बल्कि अनुक्रम की शुरुआत और अंत के बीच के क्षेत्र का अंतर होता है। क्योंकि पृथ्वी का चुंबकीय क्षेत्र और अन्य पृष्ठभूमि शोर इतने स्थिर होते हैं, वे दोनों तस्वीरों में समान दिखाई देते हैं और एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं। केवल बदलता हुआ संकेत ही दृश्यमान रहता है।
इसे और भी शक्तिशाली बनाने के लिए, टीम ने दिखाया कि कैसे यह एकल सेंसर न केवल क्षेत्र की शक्ति के अंतर को, बल्कि यह भी कि वह अंतर समय के साथ कैसे बदलता है, यानी चुंबकीय क्षेत्र के ढलान (slope) या वक्रता (curvature) को माप सकता है। यह एक विशिष्ट पैटर्न में पल्स अनुक्रम को दोहराकर किया जाता है, जिससे सेंसर उच्च-क्रम के परिवर्तनों का पता लगा पाता है। इसके अलावा, उन्होंने प्रदर्शित किया कि सेंसर को एक कंपन करने वाले यांत्रिक हाथ (mechanical arm) से जोड़कर, वे एक स्थिर, स्थिर चुंबकीय क्षेत्र को सेंसर के दृष्टिकोण से एक तेजी से दोलन करने वाले क्षेत्र में बदल सकते हैं। यह युक्ति उन्हें उन्नत शोर-निरसन तकनीकों का उपयोग करने की अनुमति देती है जो आमतौर पर तेजी से बदलने वाले संकेतों के लिए आरक्षित होती हैं, जिससे सेंसर की संवेदनशीलता बनाए रखने का समय काफी बढ़ जाता है, इससे पहले कि उसकी क्वांटम अवस्था फीकी पड़ जाए। क्वांटम नियंत्रण और यांत्रिक गति का यह संयोजन एक मजबूत प्रणाली बनाता है जो उच्च-परिशुद्धता माप के लिए आवश्यक भारी शील्डिंग के बिना काम कर सकती है।
शोधकर्ताओं ने विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से अपने प्रोटोकॉल के प्रदर्शन को प्रदर्शित किया, जिसमें हीरे के इन दोषों की एक विशाल संख्या वाले सेंसर का मॉडल बनाया गया। उन्होंने अपने प्रोटोकॉल को दो चुनौतीपूर्ण वास्तविक दुनिया के परिदृश्यों पर लागू किया। पहला था चुंबकीय विसंगतियों (magnetic anomalies) का पता लगाना, जैसे कि ज़मीन में दबी किसी फेरोमैग्नेटिक वस्तु को खोजना। उनके सिमुलेशन में, उन्होंने एक बड़े, चुंबकित गोले के पास 20 मीटर/सेकंड की निरंतर गति से सेंसर को घुमाया। पद्धति ने पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र के भारी बैकग्राउंड से गोले के सूक्ष्म चुंबकीय हस्ताक्षर को सफलतापूर्वक अलग कर लिया। दूसरा परिदृश्य बहुत अधिक नाजुक कार्य से जुड़ा था: मस्तिष्क में न्यूरॉन्स की विद्युत तरंगों द्वारा उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्रों को मापना। ये संकेत अविश्वसनीय रूप से कमजोर होते हैं और शोर में आसानी से खो जाते हैं। सिमुलेशन ने दिखाया कि नया प्रोटोकॉल इन न्यूरोनल एक्शन पोटेंशियल्स को उच्च सटीकता के साथ पकड़ सकता है, जो एक ऐसा कार्य है जिसके लिए वर्तमान में अस्पतालों में विशाल, कमरे के आकार की शील्डिंग की आवश्यकता होती है।
यह अध्ययन पुष्टि करता है कि एकल-सेंसर दृष्टिकोण उच्च-परिशुद्धता मैग्नेटोमेट्री के लिए एक व्यवहार्य मार्ग है। एक एकल क्वांटम प्रणाली का उपयोग करके कई सेंसरों का कार्य करने के लिए, शोधकर्ताओं ने उन त्रुटियों को समाप्त कर दिया है जो दो अलग-अलग उपकरणों को मिलाने से आती हैं। सिमुलेशन बताते हैं कि इस तकनीक को भूगर्भीय सर्वेक्षणों में भूमिगत संसाधनों को खोजने, गैर-आक्रामक चिकित्सा इमेजिंग में मस्तिष्क की गतिविधि का अध्ययन करने के लिए, और किसी भी ऐसी स्थिति में लागू किया जा सकता है जहाँ शोर भरी दुनिया में एक शांत और सटीक माप की आवश्यकता होती है। हालांकि प्रस्तुत परिणाम वर्तमान में सिमुलेशन पर आधारित हैं, लेकिन अंतर्निहित भौतिकी ठोस है, और यह प्रोटोकॉल अगले पीढ़ी के चुंबकीय सेंसर बनाने के लिए एक स्पष्ट ब्लूप्रिंट प्रदान करता है जो बिना किसी साउंडप्रूफ कमरे के ब्रह्मांड की अदृश्य फुसफुसाहटों को देख सकते हैं।
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