सूरज की रोशनी को असंभव क्यों माना जाता था?

SPDC के लिए लेज़र को आदर्श पंप स्रोत माना जाता है, क्योंकि लेज़र के फोटॉन की दिशा, तरंगदैर्ध्य और चरण अपेक्षाकृत व्यवस्थित होते हैं। इसके विपरीत, सूरज की रोशनी:

• अलग-अलग दिशाओं से आती है,
• कई तरंगदैर्ध्यों यानी रंगों में फैली होती है,
• और इसके फोटॉन यादृच्छिक चरणों के साथ पहुंचते हैं।

इस अव्यवस्था को देखकर वैज्ञानिकों को आशंका थी कि यह किसी भी नाजुक क्वांटम सहसंबंध को नष्ट कर देगी।

वह सैद्धांतिक समझ जिसने तस्वीर बदल दी

टीम ने दिखाया कि ध्रुवण-आधारित एंटैंगलमेंट के लिए पंप रोशनी का स्थानिक या स्पेक्ट्रल coherence होना अनिवार्य नहीं है। यहां क्वांटम सूचना फोटॉन के ध्रुवण में रखी जाती है—यानी प्रकाश-तरंग किस दिशा में दोलन कर रही है।

यदि इस दोलन दिशा में पर्याप्त एकरूपता बनी रहे, तो रोशनी की दिशा और तरंगदैर्ध्य में मौजूद बिखराव एंटैंगलमेंट को जरूरी नहीं कि खत्म करे . यही निष्कर्ष प्राकृतिक, व्यापक स्पेक्ट्रम वाली और असंगत सूरज की रोशनी को SPDC के लिए उपयोगी पंप स्रोत बनाता है।

बिखरी धूप को छोटे क्रिस्टल तक कैसे पहुंचाया गया?

सूरज की रोशनी स्वाभाविक रूप से बहुत फैली हुई होती है, जबकि SPDC के लिए मिलीमीटर-आकार के नॉनलाइनियर क्रिस्टल पर अत्यधिक अधिक irradiance चाहिए। इस इंजीनियरिंग चुनौती को हल करने के लिए MPL की टीम ने दो चरणों वाली सौर-संकेंद्रण प्रणाली तैयार की।

• लगभग 1.4 वर्ग मीटर क्षेत्रफल वाली खिड़की-जितनी Fresnel लेंस ने आसमान से आने वाली धूप इकट्ठी की .
• इसके बाद कांच के शंकुाकार सौर संकेंद्रक ने रोशनी को और संकेंद्रित किया।
• केंद्रित रोशनी को एक multimode optical fiber में भेजा गया, जिसने इसे छोटे नॉनलाइनियर क्रिस्टल तक पहुंचाया .

इस व्यवस्था ने क्रिस्टल पर पड़ने वाली रोशनी की तीव्रता को कई orders of magnitude तक बढ़ाया और सूरज की रोशनी से SPDC को व्यावहारिक रूप से प्रदर्शित करना संभव बनाया।

क्वांटम तकनीक के लिए इसका क्या मतलब है?

ऊर्जा की खपत घटाने की संभावना

क्वांटम प्रयोगों में इस्तेमाल होने वाले लेज़र महंगे, जटिल और ऊर्जा-खपत वाले होते हैं। यदि कुछ अनुप्रयोगों में उनकी जगह प्राकृतिक धूप ली जा सके, तो क्वांटम-एंटैंगलमेंट स्रोतों की ऊर्जा जरूरत कम हो सकती है—खासकर दूरदराज के इलाकों या ऐसे प्लेटफॉर्म पर जहां बिजली सीमित हो .

अंतरिक्ष-आधारित क्वांटम संचार

उपग्रहों के लिए सूरज की रोशनी एक प्रचुर प्राकृतिक स्रोत है। सिद्धांत रूप से, सूर्य-प्रकाश से चलने वाला एंटैंगलमेंट स्रोत उपग्रह पर लगे उच्च-शक्ति वाले लेज़र की तुलना में हल्का, सरल और कम ऊर्जा-खपत वाला हो सकता है। इससे quantum key distribution (QKD)—क्वांटम सिद्धांतों पर आधारित सुरक्षित कुंजी-वितरण—के लिए लंबे समय तक चलने वाली प्रणालियों की संभावना बनती है .

हालांकि, इसका अर्थ यह नहीं है कि सामान्य दिन का उजाला सीधे-सीधे उलझी हुई किरण बन गया। प्रयोग में धूप को इकट्ठा, फ़िल्टर और केंद्रित करके एक विशेष क्रिस्टल में पंप स्रोत के रूप में इस्तेमाल किया गया .

अभी कौन-सी सीमाएं बाकी हैं?

• फोटॉन-जोड़ी बनने की दर बहुत कम है: सूर्य-प्रकाश आधारित स्रोत ने लगभग 1.5 जोड़ी प्रति सेकंड उत्पन्न की, जबकि लेज़र-आधारित प्रणालियां आम तौर पर प्रति सेकंड लाखों जोड़ी बना सकती हैं .
• मौसम और समय पर निर्भरता: प्रयोग साफ मौसम में दोपहर के समय किया गया। बादल, वायुमंडलीय बिखराव और सूर्य की स्थिति प्रदर्शन को प्रभावित करते हैं .
• संकेंद्रक का आकार: 1.4 वर्ग मीटर की Fresnel लेंस और शंकुाकार संकेंद्रक वाली व्यवस्था अभी फील्ड या अंतरिक्ष उपयोग के लिए भारी और बड़ी है।
• सीमित स्पेक्ट्रम: नॉनलाइनियर क्रिस्टल में phase-matching केवल सूरज के स्पेक्ट्रम के एक छोटे हिस्से के लिए होती है, इसलिए इकट्ठी की गई अधिकांश ऊर्जा उपयोग में नहीं आ पाती .
• अभी proof-of-principle चरण: यह प्रयोग अवधारणा को सिद्ध करता है, लेकिन तैनाती योग्य उपकरण बनने से पहले दक्षता, स्थिरता, मौसम-निर्भरता और miniaturization पर काफी काम करना होगा .

फिर भी, यह परिणाम क्वांटम ऑप्टिक्स की एक पुरानी धारणा को चुनौती देता है: क्वांटम एंटैंगलमेंट के लिए हमेशा प्रयोगशाला-स्तर की सुसंगत लेज़र रोशनी जरूरी नहीं। सही भौतिक गुण—इस मामले में ध्रुवण—को नियंत्रित करके प्राकृतिक रोशनी को भी क्वांटम तकनीक के लिए उपयोगी बनाया जा सकता है।

सूरज की रोशनी को असंभव क्यों माना जाता था?

SPDC के लिए लेज़र को आदर्श पंप स्रोत माना जाता है, क्योंकि लेज़र के फोटॉन की दिशा, तरंगदैर्ध्य और चरण अपेक्षाकृत व्यवस्थित होते हैं। इसके विपरीत, सूरज की रोशनी:

• अलग-अलग दिशाओं से आती है,
• कई तरंगदैर्ध्यों यानी रंगों में फैली होती है,
• और इसके फोटॉन यादृच्छिक चरणों के साथ पहुंचते हैं।

इस अव्यवस्था को देखकर वैज्ञानिकों को आशंका थी कि यह किसी भी नाजुक क्वांटम सहसंबंध को नष्ट कर देगी।

वह सैद्धांतिक समझ जिसने तस्वीर बदल दी

टीम ने दिखाया कि ध्रुवण-आधारित एंटैंगलमेंट के लिए पंप रोशनी का स्थानिक या स्पेक्ट्रल coherence होना अनिवार्य नहीं है। यहां क्वांटम सूचना फोटॉन के ध्रुवण में रखी जाती है—यानी प्रकाश-तरंग किस दिशा में दोलन कर रही है।

यदि इस दोलन दिशा में पर्याप्त एकरूपता बनी रहे, तो रोशनी की दिशा और तरंगदैर्ध्य में मौजूद बिखराव एंटैंगलमेंट को जरूरी नहीं कि खत्म करे . यही निष्कर्ष प्राकृतिक, व्यापक स्पेक्ट्रम वाली और असंगत सूरज की रोशनी को SPDC के लिए उपयोगी पंप स्रोत बनाता है।

बिखरी धूप को छोटे क्रिस्टल तक कैसे पहुंचाया गया?

सूरज की रोशनी स्वाभाविक रूप से बहुत फैली हुई होती है, जबकि SPDC के लिए मिलीमीटर-आकार के नॉनलाइनियर क्रिस्टल पर अत्यधिक अधिक irradiance चाहिए। इस इंजीनियरिंग चुनौती को हल करने के लिए MPL की टीम ने दो चरणों वाली सौर-संकेंद्रण प्रणाली तैयार की।

• लगभग 1.4 वर्ग मीटर क्षेत्रफल वाली खिड़की-जितनी Fresnel लेंस ने आसमान से आने वाली धूप इकट्ठी की .
• इसके बाद कांच के शंकुाकार सौर संकेंद्रक ने रोशनी को और संकेंद्रित किया।
• केंद्रित रोशनी को एक multimode optical fiber में भेजा गया, जिसने इसे छोटे नॉनलाइनियर क्रिस्टल तक पहुंचाया .

इस व्यवस्था ने क्रिस्टल पर पड़ने वाली रोशनी की तीव्रता को कई orders of magnitude तक बढ़ाया और सूरज की रोशनी से SPDC को व्यावहारिक रूप से प्रदर्शित करना संभव बनाया।

क्वांटम तकनीक के लिए इसका क्या मतलब है?

ऊर्जा की खपत घटाने की संभावना

क्वांटम प्रयोगों में इस्तेमाल होने वाले लेज़र महंगे, जटिल और ऊर्जा-खपत वाले होते हैं। यदि कुछ अनुप्रयोगों में उनकी जगह प्राकृतिक धूप ली जा सके, तो क्वांटम-एंटैंगलमेंट स्रोतों की ऊर्जा जरूरत कम हो सकती है—खासकर दूरदराज के इलाकों या ऐसे प्लेटफॉर्म पर जहां बिजली सीमित हो .

अंतरिक्ष-आधारित क्वांटम संचार

उपग्रहों के लिए सूरज की रोशनी एक प्रचुर प्राकृतिक स्रोत है। सिद्धांत रूप से, सूर्य-प्रकाश से चलने वाला एंटैंगलमेंट स्रोत उपग्रह पर लगे उच्च-शक्ति वाले लेज़र की तुलना में हल्का, सरल और कम ऊर्जा-खपत वाला हो सकता है। इससे quantum key distribution (QKD)—क्वांटम सिद्धांतों पर आधारित सुरक्षित कुंजी-वितरण—के लिए लंबे समय तक चलने वाली प्रणालियों की संभावना बनती है .

हालांकि, इसका अर्थ यह नहीं है कि सामान्य दिन का उजाला सीधे-सीधे उलझी हुई किरण बन गया। प्रयोग में धूप को इकट्ठा, फ़िल्टर और केंद्रित करके एक विशेष क्रिस्टल में पंप स्रोत के रूप में इस्तेमाल किया गया .

अभी कौन-सी सीमाएं बाकी हैं?

• फोटॉन-जोड़ी बनने की दर बहुत कम है: सूर्य-प्रकाश आधारित स्रोत ने लगभग 1.5 जोड़ी प्रति सेकंड उत्पन्न की, जबकि लेज़र-आधारित प्रणालियां आम तौर पर प्रति सेकंड लाखों जोड़ी बना सकती हैं .
• मौसम और समय पर निर्भरता: प्रयोग साफ मौसम में दोपहर के समय किया गया। बादल, वायुमंडलीय बिखराव और सूर्य की स्थिति प्रदर्शन को प्रभावित करते हैं .
• संकेंद्रक का आकार: 1.4 वर्ग मीटर की Fresnel लेंस और शंकुाकार संकेंद्रक वाली व्यवस्था अभी फील्ड या अंतरिक्ष उपयोग के लिए भारी और बड़ी है।
• सीमित स्पेक्ट्रम: नॉनलाइनियर क्रिस्टल में phase-matching केवल सूरज के स्पेक्ट्रम के एक छोटे हिस्से के लिए होती है, इसलिए इकट्ठी की गई अधिकांश ऊर्जा उपयोग में नहीं आ पाती .
• अभी proof-of-principle चरण: यह प्रयोग अवधारणा को सिद्ध करता है, लेकिन तैनाती योग्य उपकरण बनने से पहले दक्षता, स्थिरता, मौसम-निर्भरता और miniaturization पर काफी काम करना होगा .

फिर भी, यह परिणाम क्वांटम ऑप्टिक्स की एक पुरानी धारणा को चुनौती देता है: क्वांटम एंटैंगलमेंट के लिए हमेशा प्रयोगशाला-स्तर की सुसंगत लेज़र रोशनी जरूरी नहीं। सही भौतिक गुण—इस मामले में ध्रुवण—को नियंत्रित करके प्राकृतिक रोशनी को भी क्वांटम तकनीक के लिए उपयोगी बनाया जा सकता है।