दुर्लभ-पृथ्वी परमाणु दूरसंचार तरंग दैर्ध्य पर क्वांटम पुनरावर्तक बना सकता है - भौतिकी विश्व

दुर्लभ-पृथ्वी परमाणु दूरसंचार तरंग दैर्ध्य पर क्वांटम पुनरावर्तक बना सकता है - भौतिकी विश्व

समय टिकट: 13 सितंबर, 2023 3:24 पूर्वाह्न

एर्बियम डिवाइस की छवि, जो एक ग्रे चिप है जिसमें छेदों का एक ग्रिड और दो रिबन जैसे चैनल हैं
टेलीकॉम संगत: प्रयोग में प्रयुक्त डिवाइस की एक छवि। (सौजन्य: लुकाज़ दुसानोव्स्की)

अमेरिका में प्रिंसटन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने दुर्लभ-पृथ्वी तत्व: एर्बियम की बदौलत स्केलेबल क्वांटम नेटवर्क को साकार करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। अर्बियम दूरसंचार उद्योग में उपयोग किए जाने वाले तरंग दैर्ध्य पर फोटॉनों को उत्सर्जित और अवशोषित करने में अच्छा है, जो एक फायदा है क्योंकि ये फोटॉन मानक ऑप्टिकल फाइबर में कम क्षीणन के साथ लंबी दूरी की यात्रा कर सकते हैं। क्वांटम क्षेत्र में इस ताकत का उपयोग करना एक चुनौती रही है, लेकिन प्रिंसटन टीम एक अर्बियम-आधारित डिवाइस को समान फोटॉन उत्सर्जित करने में कामयाब रही - क्वांटम रिपीटर्स के लिए विशाल दूरी पर क्वांटम जानकारी साझा करने के लिए एक शर्त।

"एर्बियम-डोप्ड फाइबर का उपयोग क्लासिकल रिपीटर्स के रूप में सभी प्रकार के ऑप्टिकल संचार लिंक के लिए क्लासिकल फाइबर एम्पलीफायर बनाने के लिए किया जाता है, जैसे लंबी दूरी के अंडरसी केबल," कहते हैं। जेफ थॉम्पसन, प्रिंसटन में इलेक्ट्रिकल और कंप्यूटर इंजीनियरिंग के प्रोफेसर और काम के प्रमुख अन्वेषक। "तो, मेरे लिए, उसके क्वांटम संस्करण के साथ आने की कोशिश करना बहुत स्वाभाविक था।"

लाभदायक, लेकिन साथ काम करना मुश्किल

फोटॉन प्राकृतिक सूचना वाहक हो सकते हैं, लेकिन उन पर टिके रहना कठिन होता है और वे शायद ही कभी एक-दूसरे के साथ बातचीत करते हैं। इसका मतलब यह है कि यदि कोई फोटॉन खो जाता है या उसमें एन्कोड की गई जानकारी ख़राब हो जाती है, तो अन्य फोटॉन बचाव में नहीं आ सकते। इसके बजाय, क्वांटम जानकारी को किसी प्रकार की मेमोरी में संग्रहीत करने की आवश्यकता होती है - इस मामले में, एक परमाणु। "एक क्वांटम पुनरावर्तक वास्तव में प्रकाश और परमाणुओं के बीच क्वांटम जानकारी को आगे और पीछे मैप करने का एक तरीका है," बताते हैं एलिजाबेथ गोल्डस्मिड्ट, अमेरिका के इलिनोइस-अर्बाना शैंपेन विश्वविद्यालय में क्वांटम ऑप्टिक्स के प्रोफेसर, जो इस काम में शामिल नहीं थे।

पुनरावर्तक-आधारित क्वांटम नेटवर्क में, उस दूरी को टुकड़ों में विभाजित करके दो दूर के बिंदुओं के बीच उलझाव स्थापित करने का विचार है। जिस तरह से यह काम करता है वह यह है कि लंबी दूरी के चैनल के एक छोर पर एक क्वांटम पुनरावर्तक एक फोटॉन उत्सर्जित करता है, और, इस प्रक्रिया में, इसके साथ उलझ जाता है। चैनल के नीचे थोड़ी दूरी पर एक अन्य पुनरावर्तक भी पहले की दिशा में एक फोटॉन उत्सर्जित करता है। जब दो फोटॉन मिलते हैं, तो उन्हें इस तरह मापा जाता है कि वे उलझ जाएं। जब तक फोटॉन अपने संबंधित उत्सर्जकों से उलझे रहते हैं, तब तक उत्सर्जक भी उलझे रहते हैं। श्रृंखला में इस प्रक्रिया को जारी रखने से, अंततः चैनल के विपरीत छोर पर दो उत्सर्जक उलझ जाएंगे। फिर उन्हें क्वांटम कुंजी वितरण योजना में साझा कुंजी के रूप में उपयोग किया जा सकता है, या वे क्वांटम टेलीपोर्टेशन प्रोटोकॉल के माध्यम से कुछ क्वांटम जानकारी साझा कर सकते हैं।

मेरे बाद दोहराएँ

अन्य क्वांटम पुनरावर्तक प्रौद्योगिकियों को हीरे के विभिन्न परमाणुओं या दोषों का उपयोग करके विकसित किया गया है। हालाँकि, ये प्रणालियाँ आम तौर पर निकट-दृश्यमान आवृत्तियों पर फोटॉन उत्सर्जित करती हैं, जो ऑप्टिकल फाइबर में जल्दी से क्षीण हो जाती हैं। सर्वोत्तम ढंग से कार्य करने के लिए, उन्हें आवृत्ति रूपांतरण की आवश्यकता होती है, जो जटिल है और महंगा हो सकता है। एक पुनरावर्तक जो स्वचालित रूप से वांछित रंग का प्रकाश उत्सर्जित करता है, प्रक्रिया को बहुत सरल बना देगा।

एक अर्बियम परमाणु को ऐसे क्वांटम पुनरावर्तक के रूप में कार्य करने के लिए, दो मुख्य चीजों को सही होने की आवश्यकता है। सबसे पहले, योजना को व्यावहारिक बनाने के लिए परमाणु को तेज़ी से फोटॉन उत्सर्जित करने की आवश्यकता होती है। दूसरा, उत्सर्जित फोटॉन को अपने क्वांटम गुणों को संरक्षित करना चाहिए और उस परमाणु के साथ उलझा रहना चाहिए जो व्यवधानों के बावजूद इसे उत्सर्जित करता है - एक संपत्ति जिसे सुसंगतता के रूप में जाना जाता है।

दुर्भाग्य से, जंगली में एरबियम परमाणु टेलीकॉम-बैंड फोटॉन का उत्सर्जन बहुत कम ही करते हैं। वांछित रंग में अर्बियम की उत्सर्जन दर को बढ़ावा देने के लिए, टीम ने परमाणु को सतह से मात्र नैनोमीटर दूर एक क्रिस्टल के अंदर रखा। इस क्रिस्टल के ऊपर, उन्होंने एक गुहा रखा, जो एक सिलिकॉन नैनोफोटोनिक उपकरण है जिसे सटीक तरंग दैर्ध्य एरबियम उत्सर्जन पर प्रकाश को फंसाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इस गुहा में एर्बियम परमाणु द्वारा, प्रिंसटन शोधकर्ताओं ने इसे अन्यथा की तुलना में लगभग 1000 गुना अधिक बार टेलीकॉम फोटॉन उत्सर्जित करने के लिए राजी किया।

बुद्धिमानी से चुनना

उलझाव को प्रसारित करने के लिए फोटोन की क्वांटम सुसंगतता को लंबे समय तक संरक्षित करने के लिए, थॉम्पसन और उनके सहयोगियों को अपनी क्रिस्टल सामग्री को बहुत सावधानी से चुनना पड़ा। हजारों प्रारंभिक संभावनाओं में से, उन्होंने कैल्शियम टंगस्टेट पर निर्णय लेने से पहले प्रयोगशाला में लगभग 20 की कोशिश की, जिससे उत्सर्जित फोटॉनों की सुसंगतता इतनी अधिक हो गई कि वे एक-दूसरे के साथ क्वांटम हस्तक्षेप में भाग ले सकें। क्वांटम पुनरावर्तक वास्तुकला में फोटॉन-उलझाव माप चरण के लिए यह क्वांटम हस्तक्षेप आवश्यक है।

अगला कदम, जिसे प्रिंसटन के शोधकर्ता पहुंच के भीतर कहते हैं, विभिन्न एरबियम परमाणुओं से उत्सर्जित फोटॉनों के बीच उलझाव को प्रदर्शित करना है। उसके बाद, यह एक क्वांटम संचार चैनल बनाने के लिए रिपीटर्स को एक साथ जोड़ने की बात है। शोधकर्ताओं का मानना ​​​​है कि इस तकनीक को स्केल करना आसान होना चाहिए क्योंकि यह परिपक्व सिलिकॉन फोटोनिक्स उद्योग का लाभ उठाता है। "मुझे लगता है कि यह एक बहुत ही अनोखी और महत्वपूर्ण बात है," गोल्डस्मिड्ट कहते हैं। "दुर्लभ पृथ्वी के परमाणु वैक्यूम में परमाणुओं या आयनों के साथ मिलने वाली उत्कृष्ट सुसंगतता को बरकरार रख सकते हैं, जबकि अत्यधिक इंजीनियर और डिवाइस एकीकरण के साथ संगत हैं, जैसा कि इस काम में स्पष्ट रूप से दिखाया गया है।"

में अनुसंधान वर्णित है प्रकृति.

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