क्वांटम संचार: अणु, दुर्लभ पृथ्वी और प्रकाशिकी

क्वांटम सूचना प्रौद्योगिकी क्वांटम यांत्रिकी पर आधारित एक नई सूचना प्रौद्योगिकी है, जो क्वांटम सूचना में निहित भौतिक सूचना को एनकोड, गणना और संचारित करती है।क्वांटम प्रणालीक्वांटम सूचना प्रौद्योगिकी का विकास और अनुप्रयोग हमें "क्वांटम युग" में ले जाएगा, और उच्च कार्य कुशलता, अधिक सुरक्षित संचार विधियों और अधिक सुविधाजनक और हरित जीवन शैली का एहसास कराएगा।

क्वांटम प्रणालियों के बीच संचार की दक्षता प्रकाश के साथ उनकी अंतःक्रिया करने की क्षमता पर निर्भर करती है। हालाँकि, ऐसा पदार्थ खोजना बहुत कठिन है जो प्रकाशिकी के क्वांटम गुणों का पूरा लाभ उठा सके।

हाल ही में, पेरिस स्थित रसायन विज्ञान संस्थान और कार्लज़ूए प्रौद्योगिकी संस्थान की एक शोध टीम ने मिलकर प्रकाशिकी की क्वांटम प्रणालियों में अनुप्रयोगों के लिए दुर्लभ मृदा यूरोपियम आयनों (Eu³ +) पर आधारित एक आणविक क्रिस्टल की क्षमता का प्रदर्शन किया। उन्होंने पाया कि इस Eu³ + आणविक क्रिस्टल का अति-संकीर्ण रेखा-चौड़ाई उत्सर्जन प्रकाश के साथ कुशल अंतःक्रिया को सक्षम बनाता है और इसमें महत्वपूर्ण मूल्य है।क्वांटम संचारऔर क्वांटम कंप्यूटिंग।

चित्र 1: दुर्लभ मृदा यूरोपियम आणविक क्रिस्टल पर आधारित क्वांटम संचार

क्वांटम अवस्थाओं को अध्यारोपित किया जा सकता है, इसलिए क्वांटम सूचना को भी अध्यारोपित किया जा सकता है। एक एकल क्वाबिट 0 और 1 के बीच विभिन्न अवस्थाओं का एक साथ प्रतिनिधित्व कर सकता है, जिससे डेटा को बैचों में समानांतर रूप से संसाधित किया जा सकता है। परिणामस्वरूप, पारंपरिक डिजिटल कंप्यूटरों की तुलना में क्वांटम कंप्यूटरों की कंप्यूटिंग शक्ति घातांकीय रूप से बढ़ेगी। हालाँकि, गणना संबंधी संक्रियाएँ करने के लिए, क्वाबिटों का अध्यारोपण एक निश्चित अवधि तक स्थिर रूप से बना रहना चाहिए। क्वांटम यांत्रिकी में, स्थिरता की इस अवधि को संसक्ति जीवनकाल (कोहेरेंस लाइफटाइम) कहा जाता है। जटिल अणुओं के नाभिकीय स्पिन लंबे शुष्क जीवनकाल वाली अध्यारोपण अवस्थाएँ प्राप्त कर सकते हैं क्योंकि नाभिकीय स्पिनों पर पर्यावरण का प्रभाव प्रभावी रूप से परिरक्षित होता है।

दुर्लभ मृदा आयन और आणविक क्रिस्टल दो प्रणालियाँ हैं जिनका उपयोग क्वांटम तकनीक में किया गया है। दुर्लभ मृदा आयनों में उत्कृष्ट प्रकाशीय और स्पिन गुण होते हैं, लेकिन इन्हें एकीकृत करना कठिन होता है।ऑप्टिकल उपकरणोंआणविक क्रिस्टलों को एकीकृत करना आसान है, लेकिन स्पिन और प्रकाश के बीच एक विश्वसनीय संबंध स्थापित करना मुश्किल है क्योंकि उत्सर्जन बैंड बहुत चौड़े हैं।

इस कार्य में विकसित दुर्लभ मृदा आणविक क्रिस्टल दोनों के लाभों को इस प्रकार संयोजित करते हैं कि, लेज़र उत्तेजन के अंतर्गत, Eu³ + नाभिकीय स्पिन के बारे में जानकारी ले जाने वाले फोटॉन उत्सर्जित कर सकता है। विशिष्ट लेज़र प्रयोगों के माध्यम से, एक कुशल प्रकाशिक/नाभिकीय स्पिन इंटरफ़ेस उत्पन्न किया जा सकता है। इस आधार पर, शोधकर्ताओं ने नाभिकीय स्पिन स्तरीय एड्रेसिंग, फोटॉनों के सुसंगत भंडारण और प्रथम क्वांटम संक्रिया के निष्पादन को और अधिक साकार किया।

कुशल क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए, आमतौर पर कई उलझे हुए क्वाबिट की आवश्यकता होती है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि उपरोक्त आणविक क्रिस्टल में Eu³ +, भटके हुए विद्युत क्षेत्र युग्मन के माध्यम से क्वांटम उलझाव प्राप्त कर सकता है, जिससे क्वांटम सूचना प्रसंस्करण संभव हो जाता है। चूँकि आणविक क्रिस्टल में कई दुर्लभ मृदा आयन होते हैं, इसलिए अपेक्षाकृत उच्च क्वाबिट घनत्व प्राप्त किया जा सकता है।

क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए एक और आवश्यकता व्यक्तिगत क्यूबिट्स की एड्रेसेबिलिटी है। इस कार्य में ऑप्टिकल एड्रेसिंग तकनीक रीडिंग स्पीड को बेहतर बना सकती है और सर्किट सिग्नल के इंटरफेरेंस को रोक सकती है। पिछले अध्ययनों की तुलना में, इस कार्य में बताए गए Eu³ + आणविक क्रिस्टलों की ऑप्टिकल कोहेरेंस में लगभग एक हज़ार गुना सुधार हुआ है, जिससे नाभिकीय स्पिन अवस्थाओं को एक विशिष्ट तरीके से ऑप्टिकल रूप से नियंत्रित किया जा सकता है।

ऑप्टिकल सिग्नल लंबी दूरी के क्वांटम सूचना वितरण के लिए भी उपयुक्त हैं ताकि दूरस्थ क्वांटम संचार के लिए क्वांटम कंप्यूटरों को जोड़ा जा सके। चमकदार सिग्नल को बढ़ाने के लिए फोटोनिक संरचना में नए Eu³ + आणविक क्रिस्टल के एकीकरण पर आगे विचार किया जा सकता है। यह कार्य क्वांटम इंटरनेट के आधार के रूप में दुर्लभ पृथ्वी अणुओं का उपयोग करता है, और भविष्य के क्वांटम संचार आर्किटेक्चर की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाता है।