क्वांटम उलझाव का विश्व रिकॉर्ड: 420 किमी फाइबर पर दो परमाणु यादें उलझीं

Physical Review Letters में 'एडिटर्स सजेशन' के रूप में प्रकाशित और arXiv पर पोस्ट किया गया यह प्रयोग महानगरीय-स्तरीय क्वांटम नेटवर्क से वास्तविक अंतर-शहरी लिंक की ओर एक ठोस कदम है।

प्रयोग कैसे काम करता है

सिस्टम दो क्वांटम मेमोरी नोड्स के आसपास बनाया गया था, जिन्हें एलिस और बॉब नाम दिया गया था, और बीच में एक केंद्रीय माप नोड (चार्ली) था । प्रत्येक मेमोरी नोड रुबिडियम-87 परमाणुओं का एक बादल था जिसे लेज़रों द्वारा ठंडा और फँसाया गया था। उलझाव पैदा करने के लिए, टीम ने DLCZ (डुआन-लुकिन-सिराक-ज़ोलर) योजना नामक एक प्रसिद्ध प्रोटोकॉल का उपयोग किया । इस दृष्टिकोण में, प्रत्येक मेमोरी संभावित रूप से एक एकल फोटॉन उत्सर्जित करती है। केंद्रीय नोड पर उस फोटॉन का पता लगाना यह संकेत देता है कि दोनों मेमोरी उलझ गई हैं।

टीम को 420 किमी तक पहुँचने के लिए तीन प्रमुख बाधाओं को पार करना पड़ा:

तरंगदैर्ध्य रूपांतरण। रुबिडियम मेमोरी प्राकृतिक रूप से लगभग 780 एनएम (निकट-अवरक्त) पर फोटॉन उत्सर्जित करती हैं। ये लंबी फाइबर दूरी पर जल्दी अवशोषित हो जाते। टीम ने प्रत्येक फोटॉन को टेलीकॉम बैंड (लगभग 1550 एनएम) में बदल दिया — वही तरंगदैर्ध्य जो मानक फाइबर-ऑप्टिक संचार में उपयोग होता है — ताकि सिग्नल बिना अवशोषित हुए सैकड़ों किलोमीटर की यात्रा कर सके ।

सक्रिय स्थिरीकरण। 420 किमी फाइबर पर तापमान परिवर्तन, कंपन और अन्य यांत्रिक प्रभाव सिंगल-फोटॉन हस्तक्षेप के लिए आवश्यक चरण संबंध को नष्ट कर सकते हैं। टीम ने एक स्थिरीकरण प्रणाली तैनात की जो इन उतार-चढ़ावों की लगातार भरपाई करती है, पूरे लिंक पर सुसंगतता बनाए रखती है ।

सिंगल-फोटॉन हस्तक्षेप। उलझाव पैदा करने वाला मुख्य माप केंद्रीय नोड पर होता है, जहाँ एलिस और बॉब के फोटॉन हस्तक्षेप करते हैं। इतनी लंबी दूरी पर एकल फोटॉन के साथ स्थिर हस्तक्षेप प्राप्त करना एक बड़ी तकनीकी चुनौती थी जिसे टीम ने सफलतापूर्वक हल किया ।

PLOB बाउंड को तोड़ना

शायद सबसे महत्वपूर्ण खोज यह है कि प्रयोग ने PLOB बाउंड को पार कर लिया — क्वांटम रिपीटर्स के बिना एक हानिपूर्ण चैनल पर उलझाव वितरित करने की अधिकतम सैद्धांतिक दर । मापी गई मेमोरी-मेमोरी उलझाव संभावना लगभग 230 किमी से अधिक दूरी पर इस सीमा से अधिक थी, और फाइबर की लंबाई 420 किमी तक बढ़ने पर यह लाभ बढ़ता गया । एक रिपोर्ट के अनुसार, यह उस मौलिक सीमा को पार करने वाला पहला मेमोरी-आधारित प्रदर्शन है ।

टीम ने यह भी दिखाया कि उनकी मेमोरी-सहायता प्राप्त योजना लगभग 320 किमी से अधिक पर प्रत्यक्ष फाइबर-आधारित उलझाव वितरण से बेहतर प्रदर्शन करती है । ऐसा इसलिए होता है क्योंकि मेमोरी-आधारित दृष्टिकोण चैनल ट्रांसमिटेंस के वर्गमूल के साथ स्केल करता है, जबकि प्रत्यक्ष संचरण ट्रांसमिटेंस के साथ रैखिक रूप से स्केल करता है — एक मौलिक अंतर जो लंबी दूरी पर मेमोरी को बढ़त देता है ।

क्वांटम इंटरनेट के लिए इसका क्या मतलब है

यह पैमाने को महानगरीय से अंतर-शहरी में बदल देता है। फाइबर-आधारित पदार्थ-पदार्थ उलझाव के पिछले रिकॉर्ड 50–100 किमी की सीमा में थे, जो एक सामान्य महानगरीय क्षेत्र को कवर करते हैं । 420 किमी पर, प्रयोग उन दूरियों में प्रवेश करता है जो शहरों को जोड़ती हैं। जैसा कि लेखक लिखते हैं, "हमारा प्रयोग एक शहर के पैमाने से परे क्वांटम नेटवर्क के अनुप्रयोगों के अध्ययन के लिए एक परीक्षण मंच प्रदान करता है" ।

यह मेमोरी-सहायता प्राप्त क्वांटम नेटवर्क को मान्य करता है। परिणाम साबित करता है कि क्वांटम मेमोरी व्यावहारिक फाइबर दूरी पर रिपीटरलेस सीमा को पार करते हुए उलझाव को संग्रहीत और घोषित कर सकती है । स्केलेबल क्वांटम रिपीटर्स और अंततः एक पूर्ण क्वांटम इंटरनेट के निर्माण के लिए यह एक आवश्यक शर्त है ।

यह मौजूदा टेलीकॉम बुनियादी ढांचे के साथ संरेखित है। प्रमुख घटक — टेलीकॉम-बैंड तरंगदैर्ध्य रूपांतरण, सक्रिय फाइबर स्थिरीकरण और कोल्ड-एटम मेमोरी — सभी मानक फाइबर-ऑप्टिक उपकरणों के साथ संगत हैं । यह आज के क्वांटम की डिस्ट्रीब्यूशन (QKD) नेटवर्क से मेमोरी-सक्षम लंबी दूरी के उलझाव वितरण वाले भविष्य के क्वांटम इंटरनेट के लिए एक यथार्थवादी उन्नयन पथ सुझाता है।

मुख्य सीमाएँ

हालाँकि यह तकनीकी उपलब्धि वास्तविक है, यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि यह एक प्रयोगशाला प्रदर्शन था। प्रयोग में नियंत्रित वातावरण में स्पूल किए गए फाइबर का उपयोग किया गया था, न कि फील्ड-डिप्लॉयड लिंक का । फाइबर में विश्वविद्यालय प्रयोगशाला से हेफ़ेई सॉफ्टवेयर पार्क में एक माप नोड तक चलने वाला एक छोटा फील्ड सेगमेंट शामिल था, लेकिन अधिकांश दूरी स्पूल पर थी । वास्तविक दुनिया में तैनाती के लिए अतिरिक्त इंजीनियरिंग चुनौतियों को हल करने की आवश्यकता होगी, जिसमें फील्ड-डिप्लॉयड फाइबर की स्थिरता, स्विचिंग और रूटिंग हार्डवेयर के साथ एकीकरण और कई इंटरकनेक्टेड नोड्स तक स्केलिंग शामिल है ।