Engineers discover a new way to control atomic nuclei as \’qubits\’: Using lasers, researchers can directly control a property of nuclei called spin, that can encode quantum information.

آج کے سب سے بڑے کوانٹم کمپیوٹرز میں ابھی بھی صرف چند سو \”کوبِٹس\” ہیں، جو ڈیجیٹل بٹس کے کوانٹم مساوی ہیں۔

اب، MIT کے محققین نے qubits بنانے اور ڈیٹا کو پڑھنے اور لکھنے کے لیے انہیں کنٹرول کرنے کے لیے ایک نیا طریقہ تجویز کیا ہے۔ طریقہ، جو اس مرحلے پر نظریاتی ہے، جوہری مرکزے کے گھماؤ کو ماپنے اور کنٹرول کرنے پر مبنی ہے، جس میں قدرے مختلف رنگوں کے دو لیزرز سے روشنی کے شہتیر کا استعمال کیا جاتا ہے۔ ان نتائج کو جرنل میں شائع ہونے والے ایک مقالے میں بیان کیا گیا ہے۔ جسمانی جائزہ Xایم آئی ٹی کے ڈاکٹریٹ کے طالب علم ہاوئی سو، پروفیسرز جو لی اور پاولا کپیلارو، اور چار دیگر نے لکھا ہے۔

جوہری گھماؤ کو طویل عرصے سے کوانٹم پر مبنی انفارمیشن پروسیسنگ اور کمیونیکیشن سسٹم کے لیے ممکنہ عمارت کے بلاکس کے طور پر تسلیم کیا جاتا رہا ہے، اور اسی طرح فوٹون، ابتدائی ذرات جو کہ الیکٹرو میگنیٹک ریڈی ایشن کے سمجھدار پیکٹ ہیں، یا \”کوانٹا\” ہیں۔ لیکن ان دونوں کوانٹم اشیاء کو ایک ساتھ کام کرنے کے لیے اکٹھا کرنا مشکل تھا کیونکہ ایٹم نیوکلی اور فوٹان بمشکل ہی آپس میں تعامل کرتے ہیں، اور ان کی فطری تعدد شدت کے چھ سے نو آرڈرز سے مختلف ہوتی ہے۔

ایم آئی ٹی ٹیم کے تیار کردہ نئے عمل میں، آنے والی لیزر بیم کی فریکوئنسی میں فرق جوہری اسپن کی منتقلی کی تعدد سے میل کھاتا ہے، جوہری اسپن کو ایک خاص طریقے سے پلٹنے کے لیے جھٹکا دیتا ہے۔

جوہری سائنس اور انجینئرنگ کے پروفیسر کیپیلارو کا کہنا ہے کہ \”ہمیں لیزرز سے آپٹیکل فوٹون کے ساتھ جوہری گھماؤ کو انٹرفیس کرنے کا ایک نیا، طاقتور طریقہ ملا ہے۔\” \”یہ نوول کپلنگ میکانزم ان کے کنٹرول اور پیمائش کو قابل بناتا ہے، جو اب جوہری گھماؤ کو کوبٹس کے طور پر استعمال کرنا ایک بہت زیادہ امید افزا کوشش بناتا ہے۔\”

محققین کا کہنا ہے کہ یہ عمل مکمل طور پر قابل عمل ہے۔ مثال کے طور پر، کسی ایک لیزر کو موجودہ ٹیلی کام سسٹمز کی فریکوئنسی سے ملنے کے لیے ٹیون کیا جا سکتا ہے، اس طرح جوہری گھماؤ کو کوانٹم ریپیٹرز میں تبدیل کر کے طویل فاصلے تک کوانٹم کمیونیکیشن کو قابل بنایا جا سکتا ہے۔

جوہری گھماؤ کو متاثر کرنے کے لیے روشنی کو استعمال کرنے کی پچھلی کوششیں بالواسطہ تھیں، جو اس نیوکلئس کے ارد گرد الیکٹران کے گھماؤ کے بجائے جوڑتی تھیں، جو کہ مقناطیسی تعامل کے باوجود نیوکلئس کو متاثر کرتی تھیں۔ لیکن اس کے لیے قریبی غیر جوڑی والے الیکٹران اسپن کی موجودگی کی ضرورت ہوتی ہے اور جوہری گھماؤ پر اضافی شور پیدا ہوتا ہے۔ نئے نقطہ نظر کے لئے، محققین نے اس حقیقت کا فائدہ اٹھایا کہ بہت سے نیوکللیوں میں ایک برقی کواڈروپول ہوتا ہے، جو ماحول کے ساتھ برقی جوہری کواڈروپولر تعامل کا باعث بنتا ہے۔ یہ تعامل روشنی سے متاثر ہو سکتا ہے تاکہ خود نیوکلئس کی حالت کو تبدیل کیا جا سکے۔

لی کا کہنا ہے کہ \”جوہری اسپن عام طور پر بہت کمزور تعامل کرتا ہے۔ \”لیکن اس حقیقت کو استعمال کرتے ہوئے کہ کچھ نیوکلی میں الیکٹرک کواڈروپول ہوتا ہے، ہم اس سیکنڈ آرڈر، نان لائنر آپٹیکل اثر کو آمادہ کر سکتے ہیں جو براہ راست نیوکلیئر سپن سے جوڑتا ہے، بغیر کسی انٹرمیڈیٹ الیکٹران اسپن کے۔ یہ ہمیں نیوکلیئر سپن میں براہ راست ہیرا پھیری کرنے کی اجازت دیتا ہے۔\”

دیگر چیزوں کے علاوہ، یہ مواد کے آاسوٹوپس کی درست شناخت اور یہاں تک کہ نقشہ سازی کی بھی اجازت دے سکتا ہے، جبکہ رامن سپیکٹروسکوپی، جو کہ مشابہ طبیعیات پر مبنی ایک اچھی طرح سے قائم شدہ طریقہ ہے، مواد کی کیمسٹری اور ساخت کی شناخت کر سکتی ہے، لیکن آاسوٹوپس نہیں۔ محققین کا کہنا ہے کہ اس صلاحیت میں بہت سی ایپلی کیشنز ہوسکتی ہیں۔

جہاں تک کوانٹم میموری کا تعلق ہے، کوانٹم کمپیوٹنگ کے لیے اس وقت استعمال کیے جانے والے یا سمجھے جانے والے عام آلات میں ہم آہنگی کے اوقات ہوتے ہیں – یعنی ذخیرہ شدہ معلومات کو قابل اعتماد طریقے سے برقرار رکھا جا سکتا ہے – جو کہ ایک سیکنڈ کے چھوٹے حصوں میں ماپا جاتا ہے۔ لیکن نیوکلیئر اسپن سسٹم کے ساتھ، کوانٹم ہم آہنگی کے اوقات گھنٹوں میں ماپا جاتا ہے۔

ٹیم کا کہنا ہے کہ چونکہ آپٹیکل فوٹوون طویل فاصلے تک مواصلات کے لیے فائبر آپٹک نیٹ ورکس کے ذریعے استعمال کیے جاتے ہیں، اس لیے ان فوٹونز کو براہ راست کوانٹم میموری یا سینسنگ ڈیوائسز میں جوڑنے کی صلاحیت نئے کمیونیکیشن سسٹمز میں اہم فوائد فراہم کر سکتی ہے۔ اس کے علاوہ، اثر طول موج کے ایک سیٹ کو دوسرے میں ترجمہ کرنے کا ایک موثر طریقہ فراہم کرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ سو کا کہنا ہے کہ \”ہم مائیکرو ویو فوٹونز اور آپٹیکل فوٹونز کی نقل و حمل کے لیے جوہری گھماؤ کے استعمال کے بارے میں سوچ رہے ہیں،\” انہوں نے مزید کہا کہ یہ دوسرے طریقوں کے مقابلے میں اس طرح کے ترجمے کے لیے زیادہ مخلصی فراہم کر سکتا ہے۔

اب تک، کام نظریاتی ہے، لہذا اگلا مرحلہ اصل لیبارٹری کے آلات میں تصور کو نافذ کرنا ہے، شاید سب سے پہلے سپیکٹروسکوپک نظام میں۔ \”یہ اصولی تجربے کے لیے ایک اچھا امیدوار ہو سکتا ہے،\” سو کہتے ہیں۔ وہ کہتے ہیں کہ اس کے بعد، وہ کوانٹم ڈیوائسز جیسے میموری یا نقل و حمل کے اثرات سے نمٹیں گے۔

اس ٹیم میں MIT میں Changhao Li، Guoqing Wang، Hua Wang، Hao Tang، اور Ariel Barr بھی شامل تھے۔