उलझा हुआ प्रकाश स्रोत पूरी तरह से ऑन-चिप है

उलझे हुए फोटॉनों के जोड़े फोटोनिक क्वांटम कंप्यूटर, क्वांटम कुंजी वितरण प्रणाली और कई क्वांटम नेटवर्किंग डिजाइनों के प्रमुख घटक हैं। मांग पर उलझे हुए फोटॉनों का उत्पादन करने के लिए आम तौर पर भारी लेज़रों और लंबी संरेखण प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती है - और यह इन तकनीकों की व्यावसायिक व्यवहार्यता को सीमित करता है। अब, जर्मनी और नीदरलैंड में शोधकर्ताओं की एक टीम ने कई एकीकृत फोटोनिक तकनीकों को एक डिवाइस में संयोजित करने के लिए एक नई वास्तुकला का उपयोग किया है। परिणाम एक चिप पर एक पूर्ण उलझा हुआ फोटॉन स्रोत है जो एक यूरो के सिक्के के आकार के बारे में है।

टीम के सदस्य कहते हैं, "इस चिप का उपयोग करना बहुत आसान है।" रक्तिम हलदर, जो लीबनिज यूनिवर्सिटी हनोवर में पोस्टडॉक्टोरल शोधकर्ता हैं। "आप बस इसे प्लग इन करें और इसे चालू करें, और यह क्वांटम फोटॉन उत्पन्न कर सकता है - आपको किसी और या किसी अन्य विशेषज्ञता की आवश्यकता नहीं है।" वह कहते हैं कि भविष्य में, स्रोत हर ऑप्टिकल क्वांटम प्रोसेसर में उसी तरह पाया जा सकता है जैसे आज हर इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम में लिथियम-आयन बैटरी पाई जाती हैं।

फोटोनिक क्वांटम बिट्स (qubits) कई तकनीकों में से एक हैं जो भविष्य के क्वांटम कंप्यूटरों का आधार बनने के लिए प्रतिस्पर्धा कर रही हैं। वे सुपरकंडक्टिंग डिवाइस और फंसे हुए परमाणुओं या आयनों के आधार पर अन्य प्रकार की qubits पर कई फायदे प्रदान करते हैं। उदाहरण के लिए, फोटोनिक क्वैब को क्रायोजेनिक तापमान तक ठंडा करने की आवश्यकता नहीं होती है, और वे पर्यावरणीय शोर के प्रति कम संवेदनशील होते हैं जो नाजुक क्वांटम सिस्टम को नष्ट कर सकते हैं।

उलझाना मुश्किल

नकारात्मक पक्ष पर, फोटोनिक क्वैब नुकसान के प्रति अधिक संवेदनशील होते हैं और उन्हें उलझाना अधिक कठिन होता है - बाद में उन संगणनाओं के लिए आवश्यक होता है जिनमें एक समय में एक से अधिक क्वैबिट शामिल होते हैं।

एकीकृत फोटोनिक्स, जिसमें चिप्स पर मुद्रित माइक्रोन-चौड़ाई वेवगाइड्स में यात्रा करने के लिए फोटॉन सीमित हैं, प्रकाश-आधारित क्वांटम कंप्यूटरों को बेहतर बनाने का एक तरीका प्रदान करता है

"फोटोनिक क्वांटम कंप्यूटरों को नुकसान की बड़ी समस्या है," कहते हैं एलिजाबेथ गोल्डस्मिड्टइलिनोइस विश्वविद्यालय उरबाना चैम्पेन में क्वांटम ऑप्टिक्स के प्रोफेसर, जो नया स्रोत बनाने में शामिल नहीं थे। "क्योंकि इंटरफेस विशेष रूप से हानिकारक हैं, ऑन-चिप जाना बहुत महत्वपूर्ण है।"

अपने नवीनतम शोध में, हलधर और उनके सहयोगियों ने एक फोटोनिक्स सिस्टम-ऑन-ए-चिप बनाया है जो उलझे हुए फोटॉन उत्पन्न करता है। इसमें तीन मुख्य घटक होते हैं: एक लेज़र; एक संकीर्ण आवृत्ति बैंड पर लेजर स्थिरता सुनिश्चित करने वाला एक फिल्टर; और एक गैर-रैखिक माध्यम उलझा हुआ फोटॉन जोड़े पैदा करता है। जबकि लेजर और क्वांटम प्रकाश स्रोतों को बाहरी लेजर की आवश्यकता होती है, पहले ऑन-चिप बनाया गया है, दोनों को एक ही चिप पर रखना एक चुनौती रही है। ऐसा इसलिए है क्योंकि लेज़िंग के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्री फ़िल्टरिंग और उलझी हुई जोड़ी पीढ़ी के लिए आवश्यक सामग्री से भिन्न होती है, और दो सामग्रियों के लिए निर्माण प्रक्रिया आम तौर पर असंगत होती है।

हाइब्रिड एकीकरण

टीम ने हाइब्रिड इंटीग्रेशन नामक तकनीक का उपयोग करके इस असंगति पर काबू पाया। लेज़िंग के लिए उपयोग किया जाने वाला लाभ माध्यम इंडियम फास्फाइड से बनाया गया था, जबकि फ़िल्टरिंग और फोटॉन-जेनरेशन घटकों को सिलिकॉन नाइट्राइड से बनाया गया था। दोनों को एक साथ रखने के लिए, टीम ने क्लाउस बोलरट्वेंटी विश्वविद्यालय में समूह। बोलर की टीम अलग-अलग चिप्स को एक साथ चिपकाने में माहिर है, जो सूक्ष्म प्रकाश-मार्गदर्शक घटकों को इतनी कुशलता से जोड़ती है कि इंटरफ़ेस पर बमुश्किल कोई प्रकाश खो जाता है। इंटरफ़ेस पर प्रतिबिंब से बचने के लिए, उन्होंने एक एंटी-रिफ्लेक्टिंग कोटिंग जोड़ा और इंडियम फॉस्फाइड वेवगाइड के अंत को चिप से 9 डिग्री ऊपर की ओर टाइल किया। इसने उन्हें इंटरफ़ेस में 0.01 dB से कम हानि प्राप्त करने की अनुमति दी।

पुनर्जीवित फोटॉन उलझाव क्वांटम संचार और इमेजिंग को बढ़ा सकता है   

सभी घटकों के निर्बाध एकीकरण में सहायता के लिए, टीम ने एक डिज़ाइन चुना जिसमें लेजर लाभ माध्यम, फ़िल्टर, और फोटॉन-जोड़ी पीढ़ी वेवगाइड सभी लेज़िंग गुहा के अंदर निहित हैं। "वे इस चालाक योजना के साथ फ़िल्टरिंग और जोड़ी उत्पादन दोनों को एक ही सिलिकॉन नाइट्राइड के छल्ले में एकीकृत करने के लिए आए, और एक ही चिप पर लेजर, जो बहुत अच्छा है," गोल्डस्मिथ बताते हैं।

लेजर कैविटी के अंदर पूरे तंत्र को इंजीनियरिंग करना कोई आसान काम नहीं था। विशेष रूप से, उनके द्वारा नियोजित फ़िल्टर को क्वांटम प्रकाश उद्देश्यों के लिए अनुकूलित नहीं किया गया था, और उन्होंने इसे अनुकूलित करने के लिए कड़ी मेहनत की। हलदर कहते हैं, "लेजर कार्रवाई को बनाए रखने के लिए नुकसान कुल लाभ के बराबर होना चाहिए," और यह एक बहुत ही कठिन तकनीकी चुनौती है। यदि दो वेवगाइड्स के बीच का अंतर है, तो कहें, 200 एनएम, इसे केवल 180 एनएम में बदलने से पूरी चिप काम नहीं कर सकती है।

चिप 99% निष्ठा के साथ प्रति सेकंड लगभग 1000 बार फ़्रीक्वेंसी-एंटेंगल्ड फोटॉन के जोड़े बनाती है। टीम अब मल्टीफ़ोटो क्लस्टर राज्यों के निर्माण को शामिल करने के लिए ऑन-चिप फोटोनिक क्षमताओं का विस्तार करने की दिशा में काम कर रही है। ये ऐसे राज्य हैं जिनमें कई उलझे हुए फोटॉन होते हैं जिनका उपयोग प्रभावी qubits के रूप में किया जा सकता है जो नुकसान के लिए कम संवेदनशील होते हैं। क्वांटम कंप्यूटिंग में प्रभावी क्लस्टर राज्यों का निर्माण एक कठिन खुली समस्या है। गोल्डश्मिड्ट कहते हैं, "इनमें से कई स्रोतों को एक ही चिप पर मल्टीप्लेक्स करना एक बहुत ही स्पष्ट रास्ता है और आपको स्वतंत्रता की अधिक डिग्री और अधिक जटिल उलझी हुई अवस्थाओं का निर्माण करने देता है"।

उन्होंने में अपने परिणामों का वर्णन किया नेचर फोटोनिक्स.

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• स्रोत: https://physicsworld.com/a/entangled-light-source-is-fully-on-chip/