ക്വാണ്ടം ഒപ്റ്റിക്സ്: സിംഗിൾ ഫോട്ടോൺ കൈകാര്യം ചെയ്യലിൽ ഒരു ആഴത്തിലുള്ള പഠനം

ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്സിനെയും ഒപ്റ്റിക്സിനെയും ബന്ധിപ്പിക്കുന്ന ഒരു മേഖലയാണ് ക്വാണ്ടം ഒപ്റ്റിക്സ്. പ്രകാശത്തിൻ്റെ ക്വാണ്ടം സ്വഭാവവും അതുമായി പദാർത്ഥങ്ങൾ എങ്ങനെ പ്രതിപ്രവർത്തിക്കുന്നു എന്നതിനെക്കുറിച്ചും ഇത് വിശദീകരിക്കുന്നു. ഈ ആകർഷകമായ വിഷയത്തിൻ്റെ ഹൃദയഭാഗത്തുള്ളത് സിംഗിൾ ഫോട്ടോൺ ആണ് - വൈദ്യുതകാന്തിക വികിരണത്തിൻ്റെ അടിസ്ഥാന ക്വാണ്ടം. ഈ വ്യക്തിഗത ഫോട്ടോണുകളെ മനസ്സിലാക്കുന്നതും കൈകാര്യം ചെയ്യുന്നതും ക്വാണ്ടം കമ്പ്യൂട്ടിംഗ്, സുരക്ഷിതമായ ക്വാണ്ടം ആശയവിനിമയം, വളരെ സെൻസിറ്റീവ് ക്വാണ്ടം സെൻസറുകൾ പോലുള്ള വിപ്ലവകരമായ സാങ്കേതികവിദ്യകളിലേക്കുള്ള വാതിലുകൾ തുറക്കുന്നു. ഈ സമഗ്രമായ ഗൈഡ് സിംഗിൾ ഫോട്ടോൺ കൈകാര്യം ചെയ്യലിൻ്റെ തത്വങ്ങൾ, വിദ്യകൾ, ഭാവിയിലെ പ്രയോഗങ്ങൾ എന്നിവ വിശദീകരിക്കുന്നു. ഗവേഷകർക്കും വിദ്യാർത്ഥികൾക്കും ക്വാണ്ടം സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ മുൻനിരയിൽ താല്പര്യമുള്ള ആർക്കും ഇത് ഒരു വിലപ്പെട്ട വിഭവമാണ്.

എന്താണ് ക്വാണ്ടം ഒപ്റ്റിക്സ്?

പ്രകാശത്തിൻ്റെ ക്വാണ്ടം സ്വഭാവം പ്രാധാന്യമർഹിക്കുന്ന പ്രതിഭാസങ്ങളെ ക്വാണ്ടം ഒപ്റ്റിക്സ് പരിശോധിക്കുന്നു. പ്രകാശത്തെ ഒരു തുടർച്ചയായ തരംഗമായി കണക്കാക്കുന്ന ക്ലാസിക്കൽ ഒപ്റ്റിക്സ് പോലെ അല്ലാതെ, ക്വാണ്ടം ഒപ്റ്റിക്സ് അതിൻ്റെ വേറിട്ട, കണിക പോലുള്ള സ്വഭാവത്തെ തിരിച്ചറിയുന്നു. വ്യക്തിഗത ഫോട്ടോണുകളുടെ നിലയിലേക്ക് വളരെ ദുർബലമായ പ്രകാശത്തെ കൈകാര്യം ചെയ്യുമ്പോൾ ഈ കാഴ്ചപ്പാട് നിർണായകമാണ്.

ക്വാണ്ടം ഒപ്റ്റിക്സിലെ പ്രധാന ആശയങ്ങൾ

• പ്രകാശത്തിൻ്റെ ക്വാണ്ടൈസേഷൻ: പ്രകാശം ഫോട്ടോണുകൾ എന്നറിയപ്പെടുന്ന ഊർജ്ജത്തിൻ്റെ വേറിട്ട പാക്കറ്റുകളായി നിലനിൽക്കുന്നു. ഒരു ഫോട്ടോണിൻ്റെ ഊർജ്ജം അതിൻ്റെ ഫ്രീക്വൻസിയുമായി നേരിട്ട് അനുപാതത്തിലാണ് (E = hf, ഇവിടെ h പ്ലാൻ്റ്സ് സ്ഥിരാങ്കമാണ്).
• തരംഗ-കണിക ദ്വന്ദഭാവം: ഫോട്ടോണുകൾ തരംഗതുല്യവും കണികതുല്യവുമായ പെരുമാറ്റം പ്രദർശിപ്പിക്കുന്നു, ഇത് ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്സിൻ്റെ അടിസ്ഥാന ശിലയാണ്.
• ക്വാണ്ടം സൂപ്പർപൊസിഷൻ: ഒരു ഫോട്ടോണിന് ഒരേ സമയം ഒന്നിലധികം അവസ്ഥകളുടെ സൂപ്പർപൊസിഷനിൽ നിലനിൽക്കാൻ കഴിയും (ഉദാഹരണത്തിന്, ഒരേ സമയം ഒന്നിലധികം ധ്രുവീകരണ അവസ്ഥകളിൽ ഉണ്ടാകുക).
• ക്വാണ്ടം എൻ്റാങ്കിൾമെൻ്റ്: രണ്ട് അല്ലെങ്കിൽ അതിലധികം ഫോട്ടോണുകൾ അവ എത്ര ദൂരെയാണെങ്കിലും ഒരേ വിധി പങ്കിടുന്ന തരത്തിൽ ബന്ധിപ്പിക്കാൻ കഴിയും. ക്വാണ്ടം ആശയവിനിമയത്തിന് ഇത് നിർണായകമാണ്.
• ക്വാണ്ടം ഇടപെടൽ: ഫോട്ടോണുകൾ അവയോടും പരസ്പരം ഇടപെടാനും കഴിയും, ഇത് ക്ലാസിക്കൽ ഒപ്റ്റിക്സിൽ കാണുന്നതിൽ നിന്ന് അടിസ്ഥാനപരമായി വ്യത്യസ്തമായ ഇടപെടൽ പാറ്ററനുകൾക്ക് കാരണമാകുന്നു.

സിംഗിൾ ഫോട്ടോണുകളുടെ പ്രാധാന്യം

സിംഗിൾ ഫോട്ടോണുകൾ ക്വാണ്ടം വിവരങ്ങളുടെ നിർമാണ ഘടകങ്ങളാണ്, കൂടാതെ വിവിധ ക്വാണ്ടം സാങ്കേതികവിദ്യകളിൽ നിർണായക പങ്ക് വഹിക്കുന്നു:

• ക്വാണ്ടം കമ്പ്യൂട്ടിംഗ്: സിംഗിൾ ഫോട്ടോണുകൾ ക്യുബിറ്റുകൾ (ക്വാണ്ടം ബിറ്റുകൾ), ക്വാണ്ടം കമ്പ്യൂട്ടേഷന്റെ അടിസ്ഥാന യൂണിറ്റുകൾ എന്നിവയെ പ്രതിനിധീകരിക്കാൻ കഴിയും. അവയുടെ സൂപ്പർപൊസിഷനും എൻ്റാങ്കിൾമെൻ്റ് ഗുണങ്ങളും ക്വാണ്ടം അൽഗോരിതങ്ങൾക്ക് ക്ലാസിക്കൽ കമ്പ്യൂട്ടറുകൾക്ക് അസാധ്യമായ കണക്കുകൂട്ടലുകൾ നടത്താൻ സഹായിക്കുന്നു.
• ക്വാണ്ടം ക്രിപ്റ്റോഗ്രഫി: ക്വാണ്ടം ഫിസിക്സിൻ്റെ നിയമങ്ങൾ ഉപയോഗിച്ച് രഹസ്യസ്വഭാവം ഉറപ്പാക്കുന്ന രീതിയിൽ എൻക്രിപ്റ്റ് ചെയ്ത വിവരങ്ങൾ കൈമാറാൻ സിംഗിൾ ഫോട്ടോണുകൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു. അനുചിതമായ പ്രവേശന ശ്രമങ്ങൾ ഫോട്ടോണുകളുടെ ക്വാണ്ടം അവസ്ഥയെ അനിവാര്യമായും അസ്വസ്ഥമാക്കുന്നു, ഇത് അയക്കുന്നയാൾക്കും സ്വീകരിക്കുന്നയാൾക്കും മുന്നറിയിപ്പ് നൽകുന്നു.
• ക്വാണ്ടം സെൻസിംഗ്: ഗ്രഹണ തരംഗങ്ങൾ അല്ലെങ്കിൽ രാസവസ്തുക്കളുടെ ചെറിയ അളവുകൾ പോലുള്ള ദുർബലമായ സിഗ്നലുകൾ കണ്ടെത്താൻ വളരെ സെൻസിറ്റീവ് സെൻസറുകൾ നിർമ്മിക്കാൻ സിംഗിൾ ഫോട്ടോണുകൾ ഉപയോഗിക്കാം.
• ക്വാണ്ടം ഇമേജിംഗ്: സിംഗിൾ-ഫോട്ടോൺ ഇമേജിംഗ് ടെക്നിക്കുകൾ കുറഞ്ഞ പ്രകാശ സമ്പർക്കത്തിലൂടെ ഉയർന്ന മിഴിവുള്ള ഇമേജിംഗ് സാധ്യമാക്കുന്നു, ഇത് പ്രത്യേകിച്ച് ജീവശാസ്ത്രപരമായ സാമ്പിളുകൾക്ക് വളരെ ഉപയോഗപ്രദമാണ്.

സിംഗിൾ ഫോട്ടോണുകൾ ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്നു

വിശ്വസനീയമായ സിംഗിൾ ഫോട്ടോൺ ഉറവിടങ്ങൾ സൃഷ്ടിക്കുന്നത് ക്വാണ്ടം ഒപ്റ്റിക്സിലെ ഒരു പ്രധാന വെല്ലുവിളിയാണ്. ഓരോന്നിനും അതിൻ്റേതായ ഗുണങ്ങളും ദോഷങ്ങളുമുള്ള നിരവധി രീതികൾ വികസിപ്പിച്ചെടുത്തിട്ടുണ്ട്:

സ്പോണ്ടേനിയസ് പാരാമെട്രിക് ഡൗൺ-കൺവേർഷൻ (SPDC)

SPDC എൻ്റാങ്കിൾഡ് ഫോട്ടോൺ ജോഡികളെ ഉത്പാദിപ്പിക്കാനുള്ള ഏറ്റവും സാധാരണമായ രീതിയാണ്. ഒരു നോൺ-ലീനിയർ ക്രിസ്റ്റൽ ഒരു ലേസർ ബീം ഉപയോഗിച്ച് പമ്പ് ചെയ്യപ്പെടുന്നു, കൂടാതെ ഇടയ്ക്കിടെ ഒരു പമ്പ് ഫോട്ടോൺ സിഗ്നൽ, ഐഡ്‌ലർ ഫോട്ടോണുകൾ എന്നറിയപ്പെടുന്ന രണ്ട് താഴ്ന്ന ഊർജ്ജ ഫോട്ടോണുകളായി വിഭജിക്കുന്നു. ഈ ഫോട്ടോണുകൾ ധ്രുവീകരണം അല്ലെങ്കിൽ മൊമെൻ്റം പോലുള്ള വിവിധ സ്വഭാവങ്ങളിൽ എൻ്റാങ്കിൾഡ് ആണ്. വ്യത്യസ്ത തരം ക്രിസ്റ്റലുകൾ (ഉദാഹരണത്തിന്, ബീറ്റ-ബേറിയം ബോറേറ്റ് - BBO, ലിഥിയം നിവേറ്റ് - LiNbO3) കൂടാതെ പമ്പ് ലേസർ തരംഗദൈർഘ്യങ്ങളും ഉത്പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന ഫോട്ടോണുകളുടെ ആവശ്യമുള്ള സ്വഭാവങ്ങളെ ആശ്രയിച്ച് ഉപയോഗിക്കുന്നു.

ഉദാഹരണം: ലോകമെമ്പാടുമുള്ള നിരവധി ലാബുകൾ ചുവപ്പ് അല്ലെങ്കിൽ ഇൻഫ്രാറെഡ് സ്പെക്ട്രത്തിൽ എൻ്റാങ്കിൾഡ് ഫോട്ടോൺ ജോഡികളെ സൃഷ്ടിക്കാൻ ഒരു BBO ക്രിസ്റ്റൽ പമ്പ് ചെയ്യുന്ന ഒരു നീല ലേസർ ഉപയോഗിച്ച് SPDC ഉപയോഗിക്കുന്നു. സിംഗപ്പൂരിലെ ഗവേഷകർ, ഉദാഹരണത്തിന്, ക്വാണ്ടം ടെലിപോർട്ടേഷൻ പരീക്ഷണങ്ങൾക്ക് വേണ്ടി വളരെ എൻ്റാങ്കിൾഡ് ഫോട്ടോൺ ജോഡികളെ സൃഷ്ടിക്കാൻ SPDC ഉപയോഗിച്ചു.

ക്വാണ്ടം ഡോട്ട്സ്

ക്വാണ്ടം ഡോട്ട്സ് എന്നത് സെമികണ്ടക്ടർ നാനോക്രിസ്റ്റലുകളാണ്, അവയെ ഒരു ലേസർ പൾസ് ഉപയോഗിച്ച് ഉത്തേജിപ്പിക്കുമ്പോൾ സിംഗിൾ ഫോട്ടോണുകൾ പുറപ്പെടുവിക്കാൻ കഴിയും. അവയുടെ ചെറിയ വലുപ്പം ഇലക്ട്രോണുകളെയും ഹോളുകളെയും പരിമിതപ്പെടുത്തുന്നു, ഇത് വേറിട്ട ഊർജ്ജ തലങ്ങളിലേക്ക് നയിക്കുന്നു. ഈ തലങ്ങൾക്കിടയിൽ ഒരു ഇലക്ട്രോൺ പരിവർത്തനം ചെയ്യുമ്പോൾ, അത് ഒരു സിംഗിൾ ഫോട്ടോൺ പുറപ്പെടുവിക്കുന്നു. ക്വാണ്ടം ഡോട്ട്സ് ഓൺ-ഡിമാൻഡ് സിംഗിൾ ഫോട്ടോൺ ഉത്പാദനത്തിന് സാധ്യത നൽകുന്നു.

ഉദാഹരണം: യൂറോപ്പിലെ ശാസ്ത്രജ്ഞർ ക്വാണ്ടം കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ നെറ്റ്‌വർക്കുകളിൽ സംയോജിപ്പിക്കുന്നതിനായി ക്വാണ്ടം ഡോട്ട് അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള സിംഗിൾ-ഫോട്ടോൺ ഉറവിടങ്ങൾ വികസിപ്പിക്കുകയാണ്. അവ ഉയർന്ന തെളിച്ചം നൽകുകയും സോളിഡ്-സ്റ്റേറ്റ് ഉപകരണങ്ങളിൽ സംയോജിപ്പിക്കുകയും ചെയ്യാം.

നൈട്രജൻ-വേക്കൻസി (NV) സെൻ്ററുകൾ ഡയമണ്ടിൽ

NV സെൻ്ററുകൾ ഡയമണ്ട് ലാറ്റിസിലെ പോയിൻ്റ് ഡിഫെക്ടുകളാണ്, അവിടെ ഒരു നൈട്രജൻ ആറ്റം ഒരു ശൂന്യതയുടെ അടുത്തുള്ള കാർബൺ ആറ്റത്തെ മാറ്റിസ്ഥാപിക്കുന്നു. ഈ ഡിഫെക്ടുകൾ ഒരു ലേസർ ഉപയോഗിച്ച് ഉത്തേജിപ്പിക്കുമ്പോൾ ഫ്ലൂറസൻസ് പ്രദർശിപ്പിക്കുന്നു. പുറപ്പെടുവിക്കുന്ന പ്രകാശത്തെ സിംഗിൾ ഫോട്ടോണുകളെ വേർതിരിച്ചെടുക്കാൻ ഫിൽട്ടർ ചെയ്യാം. അവയുടെ ദീർഘകാല കോഹെറൻസ് സമയങ്ങളും സാധാരണ സാഹചര്യങ്ങളുമായുള്ള അനുയോജ്യതയും കാരണം ക്വാണ്ടം സെൻസിംഗിനും ക്വാണ്ടം ഇൻഫർമേഷൻ പ്രോസസ്സിംഗിനും NV സെൻ്ററുകൾ വാഗ്ദാനം ചെയ്യുന്നു.

ഉദാഹരണം: ഓസ്ട്രേലിയയിലെ ഗവേഷണ ഗ്രൂപ്പുകൾ വളരെ സെൻസിറ്റീവ് മാഗ്നെറ്റിക് ഫീൽഡ് സെൻസറുകൾ നിർമ്മിക്കുന്നതിനായി ഡയമണ്ടിലെ NV സെൻ്ററുകൾ പരിശോധിക്കുകയാണ്. NV സെൻ്ററിൻ്റെ സ്പിൻ സ്റ്റേറ്റ് മാഗ്നെറ്റിക് ഫീൽഡുകളോട് സെൻസിറ്റീവ് ആണ്, ഇത് നാനോസ്കെയിലിൽ കൃത്യമായ അളവുകൾ സാധ്യമാക്കുന്നു.

ആറ്റോമിക് എൻസെംബിൾസ്

ആറ്റോമിക് എൻസെംബിളുകളുടെ നിയന്ത്രിത ഉത്തേജനം സിംഗിൾ ഫോട്ടോണുകളുടെ ഉത്പാദനത്തിലേക്ക് നയിച്ചേക്കാം. ഇലക്ട്രോമാഗ്നെറ്റിക്കലി ഇൻഡ്യൂസ്ഡ് ട്രാൻസ്പരൻസി (EIT) പോലുള്ള വിദ്യകൾ ആറ്റോമുകളുമായി പ്രകാശത്തിൻ്റെ പ്രതിപ്രവർത്തനം നിയന്ത്രിക്കാനും ആവശ്യമെങ്കിൽ സിംഗിൾ ഫോട്ടോണുകൾ ഉത്പാദിപ്പിക്കാനും ഉപയോഗിക്കാം. ആൽക്കലി ആറ്റങ്ങൾ (ഉദാഹരണത്തിന്, റുബിഡിയം, സീസിയം) പലപ്പോഴും ഈ പരീക്ഷണങ്ങളിൽ ഉപയോഗിക്കുന്നു.

ഉദാഹരണം: കാനഡയിലെ ഗവേഷകർ തണുത്ത ആറ്റോമിക് എൻസെംബിളുകളെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള സിംഗിൾ ഫോട്ടോൺ ഉറവിടങ്ങൾ പ്രദർശിപ്പിച്ചു. ഈ ഉറവിടങ്ങൾ ഉയർന്ന ശുദ്ധത നൽകുകയും ക്വാണ്ടം കീ വിതരണത്തിന് ഉപയോഗിക്കാനും കഴിയും.

സിംഗിൾ ഫോട്ടോണുകൾ കൈകാര്യം ചെയ്യൽ

ഒരിക്കൽ ഉത്പാദിപ്പിക്കപ്പെട്ടാൽ, വിവിധ ക്വാണ്ടം പ്രവർത്തനങ്ങൾ നടത്താൻ സിംഗിൾ ഫോട്ടോണുകൾക്ക് കൃത്യമായ നിയന്ത്രണവും കൈകാര്യം ചെയ്യലും ആവശ്യമാണ്. ഇതിൽ അവയുടെ ധ്രുവീകരണം, പാത, വരവ് സമയം എന്നിവ നിയന്ത്രിക്കുന്നത് ഉൾപ്പെടുന്നു.

ധ്രുവീകരണം നിയന്ത്രണം

ഒരു ഫോട്ടോണിൻ്റെ ധ്രുവീകരണം അതിൻ്റെ വൈദ്യുതമണ്ഡലത്തിൻ്റെ ഓസിലേഷൻ ദിശയെ വിവരിക്കുന്നു. പോളറൈസേഷൻ ബീം സ്പ്ലിറ്ററുകൾ (PBS-കൾ) ഒരു ധ്രുവീകരണമുള്ള ഫോട്ടോണുകളെ കൈമാറുകയും ലംബമായ ധ്രുവീകരണമുള്ള ഫോട്ടോണുകളെ പ്രതിഫലിപ്പിക്കുകയും ചെയ്യുന്ന ഒപ്റ്റിക്കൽ ഘടകങ്ങളാണ്. വേവ്പ്ലേറ്റുകൾ (ഉദാഹരണത്തിന്, ഹാഫ്-വേവ് പ്ലേറ്റുകൾ, ക്വാർട്ടർ-വേവ് പ്ലേറ്റുകൾ) ഫോട്ടോണുകളുടെ ധ്രുവീകരണം തിരിക്കാൻ ഉപയോഗിക്കുന്നു.

ഉദാഹരണം: ക്വാണ്ടം കീ ഡിസ്ട്രിബ്യൂഷൻ പ്രോട്ടോക്കോളിനായി തിരശ്ചീനവും ലംബവുമായ ധ്രുവീകരണത്തിൻ്റെ ഒരു സൂപ്പർപൊസിഷനിൽ ഒരു സിംഗിൾ ഫോട്ടോണിനെ തയ്യാറാക്കേണ്ടതുണ്ടെന്ന് സങ്കൽപ്പിക്കുക. ഹാഫ്-വേവ്, ക്വാർട്ടർ-വേവ് പ്ലേറ്റുകളുടെ ഒരു കോമ്പിനേഷൻ ഉപയോഗിച്ച്, ശാസ്ത്രജ്ഞർക്ക് ഫോട്ടോണിൻ്റെ ധ്രുവീകരണം കൃത്യമായി സജ്ജീകരിക്കാൻ കഴിയും, ഇത് ക്വാണ്ടം കീയുടെ സുരക്ഷിതമായ കൈമാറ്റം സാധ്യമാക്കുന്നു.

പാത നിയന്ത്രണം

ബീം സ്പ്ലിറ്ററുകൾ (BS-കൾ) ഒരു ഇൻകമിംഗ് ഫോട്ടോൺ ബീമിനെ രണ്ട് പാതകളായി വിഭജിക്കുന്ന ഭാഗികമായി പ്രതിഫലിക്കുന്ന കണ്ണാടികളാണ്. ക്വാണ്ടം തലത്തിൽ, ഒരു സിംഗിൾ ഫോട്ടോണിന് ഒരേ സമയം രണ്ട് പാതകളിലുമായി ഒരു സൂപ്പർപൊസിഷനിൽ നിലനിൽക്കാൻ കഴിയും. കണ്ണാടികളും പ്രിസങ്ങളും ഫോട്ടോണുകളെ ആവശ്യമുള്ള പാതകളിലേക്ക് നയിക്കാൻ ഉപയോഗിക്കുന്നു.

ഉദാഹരണം: പ്രശസ്തമായ മാച്ച്-സെൻഡർ ഇൻ്റർഫെറോമീറ്റർ രണ്ട് ബീം സ്പ്ലിറ്ററുകളും രണ്ട് കണ്ണാടികളും ഉപയോഗിച്ച് രണ്ട് പാതകൾക്കിടയിൽ ഇടപെടൽ സൃഷ്ടിക്കുന്നു. ഇൻ്റർഫെറോമീറ്ററിലേക്ക് അയക്കുന്ന ഒരു സിംഗിൾ ഫോട്ടോൺ രണ്ട് പാതകളും ഒരേസമയം എടുക്കുന്ന ഒരു സൂപ്പർപൊസിഷനിലേക്ക് വിഭജിക്കപ്പെടും, കൂടാതെ ഔട്ട്‌പുട്ടിലെ ഇടപെടൽ പാത ദൈർഘ്യ വ്യത്യാസത്തെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കും. ഇത് ക്വാണ്ടം സൂപ്പർപൊസിഷൻ്റെയും ഇടപെടലിൻ്റെയും ഒരു അടിസ്ഥാന പ്രദർശനമാണ്.

സമയ നിയന്ത്രണം

നിരവധി ക്വാണ്ടം പ്രയോഗങ്ങൾക്ക് സിംഗിൾ ഫോട്ടോണുകളുടെ വരവ് സമയത്തെക്കുറിച്ച് കൃത്യമായ നിയന്ത്രണം നിർണായകമാണ്. ഇലക്ട്രോ-ഒപ്റ്റിക് മോഡുലേറ്ററുകൾക്ക് (EOM-കൾ) ഒരു ഫോട്ടോണിൻ്റെ ധ്രുവീകരണം വേഗത്തിൽ മാറ്റാൻ കഴിയും, ഇത് സമയ-ഗേറ്റ്ഡ് കണ്ടെത്തൽ അല്ലെങ്കിൽ ഫോട്ടോണിൻ്റെ താൽക്കാലിക ആകൃതി കൈകാര്യം ചെയ്യാൻ അനുവദിക്കുന്നു.

ഉദാഹരണം: ക്വാണ്ടം കമ്പ്യൂട്ടിംഗിൽ, ക്വാണ്ടം ഗേറ്റ് ഓപ്പറേഷൻ നടത്താൻ ഫോട്ടോണുകൾ ഒരു ഡിറ്റക്ടറിൽ കൃത്യമായ സമയത്ത് എത്തേണ്ടതുണ്ട്. ഒരു EOM-ന് ഫോട്ടോണിൻ്റെ ധ്രുവീകരണം വേഗത്തിൽ മാറ്റാൻ ഉപയോഗിക്കാം, ഇത് അതിൻ്റെ കണ്ടെത്തലിൻ്റെ സമയം നിയന്ത്രിക്കുന്നതിനുള്ള ഒരു ഫാസ്റ്റ് ഓപ്റ്റിക്കൽ സ്വിച്ച് ആയി പ്രവർത്തിക്കുന്നു.

ഫൈബർ ഒപ്റ്റിക്സും ഇൻ്റഗ്രേറ്റഡ് ഫോട്ടോണിക്സും

ഫൈബർ ഒപ്റ്റിക്സ് സിംഗിൾ ഫോട്ടോണുകളെ ദീർഘദൂരത്തേക്ക് നയിക്കുന്നതിനും കൈമാറുന്നതിനും ഒരു സൗകര്യപ്രദമായ മാർഗ്ഗം നൽകുന്നു. ഇൻ്റഗ്രേറ്റഡ് ഫോട്ടോണിക്സ് ഒരു ചിപ്പിൽ ഒപ്റ്റിക്കൽ ഘടകങ്ങൾ നിർമ്മിക്കുന്നത് ഉൾക്കൊള്ളുന്നു, ഇത് സങ്കീർണ്ണമായ ക്വാണ്ടം സർക്യൂട്ടുകൾ സൃഷ്ടിക്കാൻ പ്രാപ്തമാക്കുന്നു. ഇൻ്റഗ്രേറ്റഡ് ഫോട്ടോണിക്സ് കോംപാക്റ്റ്നസ്സ്, സ്ഥിരത, സ്കേലബിലിറ്റി എന്നിവയുടെ ഗുണങ്ങൾ വാഗ്ദാനം ചെയ്യുന്നു.

ഉദാഹരണം: ജപ്പാനിലെ ടീമുകൾ ക്വാണ്ടം കീ വിതരണത്തിനായി ഇൻ്റഗ്രേറ്റഡ് ഫോട്ടോണിക് സർക്യൂട്ടുകൾ വികസിപ്പിക്കുകയാണ്. ഈ സർക്യൂട്ടുകൾ ഒരു സിംഗിൾ ഫോട്ടോൺ ഉറവിടങ്ങൾ, ഡിറ്റക്ടറുകൾ, ഒപ്റ്റിക്കൽ ഘടകങ്ങൾ എന്നിവയെ ഒരു ചിപ്പിൽ സംയോജിപ്പിക്കുന്നു, ഇത് ക്വാണ്ടം കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ സംവിധാനങ്ങളെ കൂടുതൽ കോംപാക്റ്റും പ്രായോഗികവുമാക്കുന്നു.

സിംഗിൾ ഫോട്ടോണുകൾ കണ്ടെത്തുന്നു

സിംഗിൾ ഫോട്ടോണുകൾ കണ്ടെത്തുന്നത് ക്വാണ്ടം ഒപ്റ്റിക്സിലെ മറ്റൊരു നിർണായക ഘടകമാണ്. പരമ്പരാഗത ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടറുകൾക്ക് വ്യക്തിഗത ഫോട്ടോണുകളെ കണ്ടെത്താൻ വേണ്ടത്ര സെൻസിറ്റീവ് അല്ല. ഇത് നേടുന്നതിന് പ്രത്യേക ഡിറ്റക്ടറുകൾ വികസിപ്പിച്ചെടുത്തിട്ടുണ്ട്:

സിംഗിൾ-ഫോട്ടോൺ അവലാഞ്ച് ഡയോഡുകൾ (SPAD-കൾ)

SPAD-കൾ സെമികണ്ടക്ടർ ഡയോഡുകളാണ്, അവ അവയുടെ ബ്രേക്ക്ഡൗൺ വോൾട്ടേജിന് മുകളിൽ ബയാസ് ചെയ്തിരിക്കുന്നു. ഒരു സിംഗിൾ ഫോട്ടോൺ SPAD-ൽ പതിക്കുമ്പോൾ, അത് ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ഒരു അവലാഞ്ച് ട്രിഗർ ചെയ്യുന്നു, ഇത് എളുപ്പത്തിൽ കണ്ടെത്താൻ കഴിയുന്ന ഒരു വലിയ കറൻ്റ് പൾസ് സൃഷ്ടിക്കുന്നു. SPAD-കൾ ഉയർന്ന സെൻസിറ്റിവിറ്റിയും നല്ല സമയ റെസല്യൂഷനും വാഗ്ദാനം ചെയ്യുന്നു.

ട്രാൻസിഷൻ-എഡ്ജ് സെൻസറുകൾ (TES-കൾ)

TES-കൾ വളരെ താഴ്ന്ന താപനിലയിൽ (സാധാരണയായി 1 കെൽവിൻ താഴെ) പ്രവർത്തിക്കുന്ന സൂപ്പർകണ്ടക്റ്റിംഗ് ഡിറ്റക്ടറുകളാണ്. ഒരു ഫോട്ടോൺ TES-ൽ ആഗിരണം ചെയ്യുമ്പോൾ, അത് ഡിറ്റക്ടറിനെ ചൂടാക്കുന്നു, അതിൻ്റെ പ്രതിരോധം മാറ്റുന്നു. പ്രതിരോധത്തിലെ മാറ്റം ഉയർന്ന കൃത്യതയോടെ അളക്കുന്നു, ഇത് സിംഗിൾ ഫോട്ടോണുകളെ കണ്ടെത്താൻ അനുവദിക്കുന്നു. TES-കൾ മികച്ച ഊർജ്ജ റെസല്യൂഷൻ വാഗ്ദാനം ചെയ്യുന്നു.

സൂപ്പർകണ്ടക്റ്റിംഗ് നാനോവയർ സിംഗിൾ-ഫോട്ടോൺ ഡിറ്റക്ടറുകൾ (SNSPD-കൾ)

SNSPD-കളിൽ നേർത്ത, സൂപ്പർകണ്ടക്റ്റിംഗ് നാനോവയർ അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു, അത് ക്രയോജനിക് താപനിലയിലേക്ക് തണുപ്പിക്കുന്നു. ഒരു ഫോട്ടോൺ നാനോവയറിൽ പതിക്കുമ്പോൾ, അത് സൂപ്പർകണ്ടക്റ്റിവിറ്റിയെ പ്രാദേശികമായി തകർക്കുന്നു, ഇത് കണ്ടെത്താൻ കഴിയുന്ന ഒരു വോൾട്ടേജ് പൾസ് സൃഷ്ടിക്കുന്നു. SNSPD-കൾ ഉയർന്ന കാര്യക്ഷമതയും വേഗത്തിലുള്ള പ്രതികരണ സമയങ്ങളും വാഗ്ദാനം ചെയ്യുന്നു.

ഉദാഹരണം: ലോകമെമ്പാടുമുള്ള വിവിധ ഗവേഷണ ടീമുകൾ ക്വാണ്ടം കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ, ക്വാണ്ടം കീ ഡിസ്ട്രിബ്യൂഷൻ പരീക്ഷണങ്ങൾക്ക് വേണ്ടി സിംഗിൾ ഫോട്ടോണുകൾ കാര്യക്ഷമമായി കണ്ടെത്താൻ സിംഗിൾ-മോഡ് ഒപ്റ്റിക്കൽ ഫൈബറുകളുമായി സംയോജിപ്പിച്ച SNSPD-കൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു. SNSPD-കൾ ടെലികോം തരംഗദൈർഘ്യങ്ങളിൽ പ്രവർത്തിക്കാൻ കഴിയും, ഇത് ദീർഘദൂര ക്വാണ്ടം കമ്മ്യൂണിക്കേഷന് അനുയോജ്യമാക്കുന്നു.

സിംഗിൾ ഫോട്ടോൺ കൈകാര്യം ചെയ്യലിൻ്റെ പ്രയോഗങ്ങൾ

സിംഗിൾ ഫോട്ടോണുകൾ ഉത്പാദിപ്പിക്കാനും കൈകാര്യം ചെയ്യാനും കണ്ടെത്താനുമുള്ള കഴിവ് നിരവധി ആവേശകരമായ പ്രയോഗങ്ങൾക്ക് വഴിതുറന്നിട്ടുണ്ട്:

ക്വാണ്ടം കമ്പ്യൂട്ടിംഗ്

ഫോടോണിക് ക്യുബിറ്റുകൾക്ക് ക്വാണ്ടം കമ്പ്യൂട്ടിംഗിന് നിരവധി ഗുണങ്ങളുണ്ട്, ദീർഘകാല കോഹെറൻസ് സമയങ്ങളും കൈകാര്യം ചെയ്യാനുള്ള എളുപ്പവും ഉൾപ്പെടെ. ലീനിയർ ഓപ്റ്റിക്കൽ ക്വാണ്ടം കമ്പ്യൂട്ടിംഗ് (LOQC) എന്നത് സിംഗിൾ ഫോട്ടോണുകൾ ഉപയോഗിച്ച് ക്വാണ്ടം കമ്പ്യൂട്ടേഷനുകൾ നടത്തുന്നതിന് ലീനിയർ ഓപ്റ്റിക്കൽ ഘടകങ്ങൾ (ബീം സ്പ്ലിറ്ററുകൾ, കണ്ണാടികൾ, വേവ്പ്ലേറ്റുകൾ) ഉപയോഗിക്കുന്ന ഒരു വാഗ്ദാനമായ സമീപനമാണ്. ഫോട്ടോണുകളുള്ള ടോപ്പോളജിക്കൽ ക്വാണ്ടം കമ്പ്യൂട്ടിംഗും പരിശോധിച്ചു വരുന്നു.

ക്വാണ്ടം ക്രിപ്റ്റോഗ്രഫി

ക്വാണ്ടം കീ ഡിസ്ട്രിബ്യൂഷൻ (QKD) പ്രോട്ടോക്കോളുകൾ, BB84, Ekert91 എന്നിവ പോലുള്ളവ, ക്രിപ്റ്റോഗ്രാഫിക് കീകൾ സുരക്ഷിതമായി കൈമാറാൻ സിംഗിൾ ഫോട്ടോണുകൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു. QKD സംവിധാനങ്ങൾ വാണിജ്യപരമായി ലഭ്യമാണ്, അവ ലോകമെമ്പാടുമുള്ള സുരക്ഷിത ആശയവിനിമയ ശൃംഖലകളിൽ വിന്യസിക്കപ്പെടുന്നു.

ഉദാഹരണം: സ്വിറ്റ്സർലണ്ടിലെ കമ്പനികൾ സിംഗിൾ ഫോട്ടോൺ സാങ്കേതികവിദ്യയെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള QKD സംവിധാനങ്ങൾ സജീവമായി വികസിപ്പിക്കുകയും വിന്യസിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ഈ സംവിധാനങ്ങൾ ധനകാര്യ സ്ഥാപനങ്ങളിലും സർക്കാർ ഏജൻസികളിലും സെൻസിറ്റീവ് ഡാറ്റ കൈമാറ്റം സുരക്ഷിതമാക്കാൻ ഉപയോഗിക്കുന്നു.

ക്വാണ്ടം സെൻസിംഗ്

വിവിധ പ്രയോഗങ്ങൾക്ക് വളരെ സെൻസിറ്റീവ് സെൻസറുകൾ നിർമ്മിക്കാൻ സിംഗിൾ-ഫോട്ടോൺ ഡിറ്റക്ടറുകൾ ഉപയോഗിക്കാം. ഉദാഹരണത്തിന്, സിംഗിൾ-ഫോട്ടോൺ LiDAR (ലൈറ്റ് ഡിറ്റക്ഷൻ ആൻഡ് റേഞ്ചിംഗ്) ഉയർന്ന കൃത്യതയോടെ 3D മാപ്പുകൾ സൃഷ്ടിക്കാൻ ഉപയോഗിക്കാം. ക്വാണ്ടം മെട്രോളജി ക്ലാസിക്കൽ പരിധികൾക്കപ്പുറം അളവുകളുടെ കൃത്യത മെച്ചപ്പെടുത്താൻ ക്വാണ്ടം ഫലങ്ങൾ, സിംഗിൾ ഫോട്ടോണുകൾ ഉൾപ്പെടെ, ഉപയോഗിക്കുന്നു.

ക്വാണ്ടം ഇമേജിംഗ്

സിംഗിൾ-ഫോട്ടോൺ ഇമേജിംഗ് ടെക്നിക്കുകൾ കുറഞ്ഞ പ്രകാശ സമ്പർക്കത്തിലൂടെ ഉയർന്ന മിഴിവുള്ള ഇമേജിംഗ് സാധ്യമാക്കുന്നു. ഉയർന്ന തീവ്രതയുള്ള പ്രകാശത്താൽ കേടുപാടുകൾ സംഭവിക്കാവുന്ന ജീവശാസ്ത്രപരമായ സാമ്പിളുകൾക്ക് ഇത് വളരെ ഉപയോഗപ്രദമാണ്. ഗോസ്റ്റ് ഇമേജിംഗ് എന്നത് ഒരു വസ്തുവിൻ്റെ ചിത്രം സൃഷ്ടിക്കാൻ എൻ്റാങ്കിൾഡ് ഫോട്ടോൺ ജോഡികളെ ഉപയോഗിക്കുന്ന ഒരു സാങ്കേതികവിദ്യയാണ്, വസ്തു നേരിട്ട് ഡിറ്റക്ടറുമായി പ്രതിപ്രവർത്തിക്കാത്ത പ്രകാശത്താൽ പ്രകാശനം ചെയ്താലും.

സിംഗിൾ ഫോട്ടോൺ കൈകാര്യം ചെയ്യലിൻ്റെ ഭാവി

സിംഗിൾ ഫോട്ടോൺ കൈകാര്യം ചെയ്യലിൻ്റെ മേഖല അതിവേഗം വികസിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കുന്നു. ഭാവിയിലെ ഗവേഷണ ദിശകളിൽ ഇവ ഉൾപ്പെടുന്നു:

• കൂടുതൽ കാര്യക്ഷമവും വിശ്വസനീയവുമായ സിംഗിൾ-ഫോട്ടോൺ ഉറവിടങ്ങൾ വികസിപ്പിക്കുക.
• കൂടുതൽ സങ്കീർണ്ണവും സ്കേലബിളുമായ ക്വാണ്ടം ഫോട്ടോണിക് സർക്യൂട്ടുകൾ സൃഷ്ടിക്കുക.
• സിംഗിൾ-ഫോട്ടോൺ ഡിറ്റക്ടറുകളുടെ പ്രകടനം മെച്ചപ്പെടുത്തുക.
• സിംഗിൾ-ഫോട്ടോൺ സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ പുതിയ പ്രയോഗങ്ങൾ പരിശോധിക്കുക.
• മറ്റ് ക്വാണ്ടം സാങ്കേതികവിദ്യകളുമായി (ഉദാഹരണത്തിന്, സൂപ്പർകണ്ടക്റ്റിംഗ് ക്യുബിറ്റുകൾ) ക്വാണ്ടം ഫോട്ടോണിക്സ് സംയോജിപ്പിക്കുക.

ഒപ്റ്റിക്കൽ ഫൈബറുകളിലെ ഫോട്ടോൺ നഷ്ടം ഏർപ്പെടുത്തുന്ന പരിധികൾക്കപ്പുറം ക്വാണ്ടം കീ വിതരണത്തിൻ്റെ പരിധി വികസിപ്പിക്കുന്നതിന് ക്വാണ്ടം റിപ്പീറ്ററുകളുടെ വികസനം നിർണായകമാകും. ക്വാണ്ടം റിപ്പീറ്ററുകൾ എൻ്റാങ്കിൾമെൻ്റ് സ്വാപ്പിംഗ്, ക്വാണ്ടം മെമ്മറികൾ എന്നിവ ഉപയോഗിച്ച് ക്വാണ്ടം കീ വിതരണത്തിൻ്റെ പരിധി വിപുലീകരിക്കുന്നു.

ഉദാഹരണം: ഗ്ലോബൽ ക്വാണ്ടം കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ നെറ്റ്‌വർക്കുകൾ പ്രവർത്തനക്ഷമമാക്കുന്നതിന് ക്വാണ്ടം റിപ്പീറ്ററുകൾ വികസിപ്പിക്കുന്നതിൽ അന്താരാഷ്ട്ര സഹകരണ ശ്രമങ്ങൾ ശ്രദ്ധ കേന്ദ്രീകരിക്കുന്നു. ഈ പ്രോജക്റ്റുകൾ പ്രായോഗിക ക്വാണ്ടം റിപ്പീറ്ററുകൾ നിർമ്മിക്കുന്നതുമായി ബന്ധപ്പെട്ട സാങ്കേതിക വെല്ലുവിളികൾ മറികടക്കാൻ വിവിധ രാജ്യങ്ങളിൽ നിന്നുള്ള ഗവേഷകരെ ഒരുമിപ്പിക്കുന്നു.

ഉപസംഹാരം

സിംഗിൾ ഫോട്ടോൺ കൈകാര്യം ചെയ്യൽ എന്നത് ശാസ്ത്രത്തിൻ്റെയും സാങ്കേതികവിദ്യയുടെയും വിവിധ വശങ്ങളിൽ വിപ്ലവം സൃഷ്ടിക്കാൻ കഴിവുള്ള അതിവേഗം വികസിക്കുന്ന ഒരു മേഖലയാണ്. ക്വാണ്ടം കമ്പ്യൂട്ടിംഗും സുരക്ഷിതമായ ആശയവിനിമയവും മുതൽ വളരെ സെൻസിറ്റീവ് സെൻസിംഗും നൂതന ഇമേജിംഗും വരെ, വ്യക്തിഗത ഫോട്ടോണുകളെ നിയന്ത്രിക്കാനുള്ള കഴിവ് ഒരു ക്വാണ്ടം ഭാവിക്കായി വഴിതുറക്കുന്നു. ഗവേഷണം പുരോഗമിക്കുകയും പുതിയ സാങ്കേതികവിദ്യകൾ ഉയർന്നുവരികയും ചെയ്യുന്നതിനനുസരിച്ച്, സിംഗിൾ ഫോട്ടോൺ കൈകാര്യം ചെയ്യൽ നിസ്സംശയമായും നമ്മുടെ ചുറ്റുമുള്ള ലോകത്തെ രൂപപ്പെടുത്തുന്നതിൽ വർദ്ധിച്ചുവരുന്ന പങ്ക് വഹിക്കും. ഈ മേഖലയിലെ ആഗോള കൂട്ടായ പരിശ്രമം നൂതനമായ ആശയങ്ങളും പുരോഗതിയും പങ്കുവെക്കുമെന്നും എല്ലാ രാജ്യങ്ങൾക്കും പ്രയോജനം ചെയ്യുമെന്നും ഉറപ്പാക്കുന്നു.