टीयूएस से एसोसिएट प्रोफेसर मार्क सैडग्रोव और श्री काइतो शिमिज़ु और ओकिनावा इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी ग्रेजुएट यूनिवर्सिटी के प्रोफेसर केए नेमोटो भी इस अध्ययन का हिस्सा थे। यह नव विकसित एकल-फोटॉन प्रकाश स्रोत महंगी शीतलन प्रणालियों की आवश्यकता को समाप्त करता है और इसमें क्वांटम नेटवर्क को अधिक लागत प्रभावी और सुलभ बनाने की क्षमता है।

एकल-फोटॉन उत्सर्जक क्वांटम यांत्रिक रूप से क्वांटम नेटवर्क में नोड्स के बीच क्वांटम बिट्स (या क्विबिट्स) को जोड़ता है। वे आम तौर पर बेहद कम तापमान पर ऑप्टिकल फाइबर में दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों को एम्बेड करके बनाए जाते हैं। अब, टोक्यो यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस के एसोसिएट प्रोफेसर काओरू सनाका के नेतृत्व में जापान के शोधकर्ताओं ने कमरे के तापमान पर येटरबियम-डोप्ड ऑप्टिकल फाइबर विकसित किया है। महंगे शीतलन समाधानों की आवश्यकता से बचते हुए, प्रस्तावित विधि फोटोनिक क्वांटम अनुप्रयोगों के लिए एक लागत प्रभावी मंच प्रदान करती है।

क्वांटम-आधारित प्रणालियाँ गणना और संचार प्रणालियों के लिए तेज़ कंप्यूटिंग और मजबूत एन्क्रिप्शन का वादा करती हैं। इन प्रणालियों को फाइबर नेटवर्क पर बनाया जा सकता है जिसमें इंटरकनेक्टेड नोड्स शामिल होते हैं जिनमें क्वैबिट और सिंगल-फोटॉन जेनरेटर होते हैं जो उलझे हुए फोटॉन जोड़े बनाते हैं।

इस संबंध में, ठोस-अवस्था सामग्री में दुर्लभ-पृथ्वी (आरई) परमाणु और आयन एकल-फोटॉन जनरेटर के रूप में अत्यधिक आशाजनक हैं। ये सामग्रियां फाइबर नेटवर्क के साथ संगत हैं और तरंग दैर्ध्य की एक विस्तृत श्रृंखला में फोटॉन उत्सर्जित करती हैं। उनकी विस्तृत वर्णक्रमीय सीमा के कारण, इन आरई तत्वों के साथ डोप किए गए ऑप्टिकल फाइबर को विभिन्न अनुप्रयोगों में उपयोग किया जा सकता है, जैसे कि फ्री-स्पेस दूरसंचार, फाइबर-आधारित दूरसंचार, क्वांटम यादृच्छिक संख्या पीढ़ी और उच्च-रिज़ॉल्यूशन छवि विश्लेषण। हालाँकि, अब तक, क्रायोजेनिक तापमान पर आरई-डॉप्ड क्रिस्टलीय सामग्रियों का उपयोग करके एकल-फोटॉन प्रकाश स्रोत विकसित किए गए हैं, जो उन पर आधारित क्वांटम नेटवर्क के व्यावहारिक अनुप्रयोगों को सीमित करता है।

येटरबियम-डॉप्ड ऑप्टिकल फाइबर बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने हीट-एंड-पुल तकनीक का उपयोग करके व्यावसायिक रूप से उपलब्ध येटरबियम-डोपेड फाइबर को पतला किया, जहां फाइबर के एक हिस्से को गर्म किया जाता है और फिर धीरे-धीरे इसके व्यास को कम करने के लिए तनाव के साथ खींचा जाता है।

पतला फाइबर के भीतर, व्यक्तिगत आरई परमाणु लेजर से उत्तेजित होने पर फोटॉन उत्सर्जित करते हैं। इन आरई परमाणुओं के बीच अलगाव फाइबर के ऑप्टिकल गुणों को परिभाषित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। उदाहरण के लिए, यदि व्यक्तिगत आरई परमाणुओं के बीच औसत पृथक्करण ऑप्टिकल विवर्तन सीमा से अधिक है, जो उत्सर्जित फोटॉनों की तरंग दैर्ध्य द्वारा निर्धारित होता है, तो इन परमाणुओं से उत्सर्जित प्रकाश ऐसा प्रतीत होता है जैसे कि यह अलग-अलग व्यक्तिगत स्रोतों के बजाय समूहों से आ रहा है।

इन उत्सर्जित फोटॉन की प्रकृति की पुष्टि करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक विश्लेषणात्मक विधि को नियोजित किया जिसे ऑटोसहसंबंध के रूप में जाना जाता है, जो सिग्नल और उसके विलंबित संस्करण के बीच समानता का आकलन करता है। ऑटोसहसंबंध का उपयोग करके उत्सर्जित फोटॉन पैटर्न का विश्लेषण करके, शोधकर्ताओं ने गैर-गुंजयमान उत्सर्जन देखा और डोप्ड फिल्टर में एकल येटरबियम आयन से फोटॉन उत्सर्जन के प्रमाण प्राप्त किए।

जबकि उत्सर्जित फोटॉन की गुणवत्ता और मात्रा को और बढ़ाया जा सकता है, येटरबियम परमाणुओं के साथ विकसित ऑप्टिकल फाइबर को महंगी शीतलन प्रणालियों की आवश्यकता के बिना निर्मित किया जा सकता है। यह एक महत्वपूर्ण बाधा को पार करता है और विभिन्न अगली पीढ़ी की क्वांटम सूचना प्रौद्योगिकियों के लिए द्वार खोलता है। “हमने चयन योग्य तरंग दैर्ध्य और शीतलन प्रणाली की आवश्यकता के बिना कम लागत वाले एकल-फोटॉन प्रकाश स्रोत का प्रदर्शन किया है। आगे बढ़ते हुए, यह विभिन्न अगली पीढ़ी की क्वांटम सूचना प्रौद्योगिकियों जैसे कि वास्तविक यादृच्छिक संख्या जनरेटर, क्वांटम संचार, क्वांटम तर्क संचालन और विवर्तन सीमा से परे उच्च-रिज़ॉल्यूशन छवि विश्लेषण को सक्षम कर सकता है, ”डॉ. सनाका ने निष्कर्ष निकाला।