কোয়ান্টাম কম্পিউটিং এর ক্ষেত্রে বিজ্ঞানীরা একটি নতুন এবং আশ্চর্যজনক পারমাণবিক প্রভাব আবিষ্কার করেছেন। এই আবিষ্কারটি কোয়ান্টাম এনট্যাঙ্গেলমেন্ট কে আরও শক্তিশালী করতে সাহায্য করতে পারে। গবেষকরা স্ট্রনশিয়াম পরমাণুর মেটাস্টেবল অবস্থা ব্যবহার করে দেখিয়েছেন কিভাবে ফোটন বিনিময়ের মাধ্যমে পারমাণবিক সম্পর্ক বজায় রাখা যায়। এটি কোয়ান্টাম কম্পিউটিং এর জন্য নতুন সম্ভাবনা তৈরি করেছে, যদিও দীর্ঘ-পরিসরের জটিল মিথস্ক্রিয়াগুলো এখনও একটি বড় চ্যালেঞ্জ হিসেবে রয়েছে।
পরমাণু এবং আলোর মিথস্ক্রিয়া
পরমাণু এবং আলোর মধ্যে মিথস্ক্রিয়া আমাদের ভৌত বিশ্বের অনেক কিছুই নির্ধারণ করে। তবে এই মিথস্ক্রিয়াগুলো অত্যন্ত জটিল এবং এগুলোকে নিয়ন্ত্রণ করা কোয়ান্টাম প্রযুক্তির অগ্রগতির জন্য একটি বড় চ্যালেঞ্জ। বিজ্ঞানীরা সাধারণত এই সিস্টেমকে সহজ করার জন্য শুধুমাত্র দুটি শক্তির স্তর নিয়ে গবেষণা করেন: একটি গ্রাউন্ড স্টেট এবং একটি এক্সাইটেড স্টেট। এই মডেলে, পরমাণুগুলো ছোট অ্যান্টেনার মতো আচরণ করে যা সংকেত পাঠাতে এবং গ্রহণ করতে পারে। যখন একটি পরমাণু এক্সাইটেড হয়, এটি শেষ পর্যন্ত ফোটন নির্গত করে গ্রাউন্ড স্টেটে ফিরে আসে। এই ফোটনটি সিস্টেম থেকে বেরিয়ে না গিয়ে পাশের অন্য একটি পরমাণু দ্বারা শোষিত হতে পারে, যা এক্সাইটেশন স্থানান্তর করে। এই প্রক্রিয়াটিকে ডাইপোল-ডাইপোল ইন্টারঅ্যাকশন বলা হয়, যা পরমাণুগুলোর মধ্যে যোগাযোগ এবং মিথস্ক্রিয়া সম্ভব করে তোলে, এমনকি সরাসরি সংস্পর্শ ছাড়াই।
JILA এবং NIST এর ফেলো এবং ইউনিভার্সিটি অফ কলোরাডো বোল্ডারের পদার্থবিজ্ঞানের অধ্যাপক আনা মারিয়া রে বলেন, “মূল ধারণাটি খুবই সহজ, কিন্তু যখন অনেক পরমাণুর মধ্যে অনেক ফোটন বিনিময় হয়, তখন সিস্টেমের অবস্থা দ্রুত সম্পর্কিত বা অত্যন্ত এনট্যাঙ্গলড হয়ে যায়।
মাল্টি-লেভেল পারমাণবিক সিস্টেমের চ্যালেঞ্জ
পরমাণুগুলোর দুটির বেশি শক্তির স্তর থাকতে পারে। যদি দুটির বেশি অভ্যন্তরীণ স্তর সিস্টেমের গতিবিদ্যায় অংশ নেয়, তবে মিথস্ক্রিয়াগুলো উল্লেখযোগ্যভাবে পরিবর্তিত হতে পারে। দুটি স্তরের সিস্টেমে (দুর্বল এক্সাইটেশন), যেখানে শুধুমাত্র একটি ফোটন এবং সর্বাধিক একটি এক্সাইটেড পরমাণু থাকে, শুধুমাত্র সেই এক্সাইটেড পরমাণুটিকে ট্র্যাক করতে হয়। যদিও এটি সংখ্যাগতভাবে সহজ, এটি কোয়ান্টাম প্রযুক্তির জন্য ততটা সহায়ক নয়, কারণ পরমাণুগুলোকে ক্লাসিক্যাল অ্যান্টেনার মতো ভাবা যেতে পারে।
অন্যদিকে, যদি প্রতিটি পরমাণুর জন্য শুধুমাত্র একটি অতিরিক্ত গ্রাউন্ড লেভেল অনুমোদিত হয়, তাহলে এমনকি একটি এক্সাইটেশন দিয়েও সিস্টেমের জন্য অ্যাক্সেসযোগ্য কনফিগারেশনের সংখ্যা ব্যাপকভাবে বৃদ্ধি পায়, যা জটিলতা বাড়িয়ে দেয়। মাল্টি-লেভেল সেটিংসে পরমাণু-আলোর মিথস্ক্রিয়া বোঝা একটি অত্যন্ত কঠিন সমস্যা, এবং এখন পর্যন্ত এটি তাত্ত্বিক এবং পরীক্ষামূলক উভয় ক্ষেত্রেই বিজ্ঞানীদের এড়িয়ে গেছে। রে ব্যাখ্যা করেন, “তবে, এটি অত্যন্ত উপকারী হতে পারে, শুধুমাত্র এনট্যাঙ্গলড স্টেট তৈরি করার জন্য নয়, বরং কারণ এটি এমন অবস্থা তৈরি করতে পারে যা ড্রাইভ ছাড়াই সংরক্ষিত থাকতে পারে, যেহেতু গ্রাউন্ড লেভেলে থাকা পরমাণুগুলো ক্ষয় হয় না।”
দীর্ঘস্থায়ী মেটাস্টেবল অবস্থা ব্যবহার করা
এই গবেষণার জন্য, গবেষকরা স্ট্রনশিয়াম পরমাণুতে চারটি শক্তির স্তরকে আলাদা করার উপর ফোকাস করেছেন, যা এক-মাত্রিক (1D) বা দুই-মাত্রিক (2D) কনফিগারেশনে সাজানো ছিল। এই পরমাণুগুলো একটি বিশেষ কনফিগারেশনে লোড করা হয়েছিল যেখানে তারা একে অপরের কাছাকাছি ছিল, এমনকি লেজার আলোর তরঙ্গদৈর্ঘ্যের চেয়েও কাছাকাছি। গবেষণাটি অভ্যন্তরীণ স্তরের একটি সেটের উপর কেন্দ্রীভূত ছিল যেখানে শক্তির বিভাজন সাধারণ অপটিক্যাল ট্রানজিশনের চেয়ে অনেক ছোট। তারা সত্যিকারের গ্রাউন্ড-স্টেট লেভেলের পরিবর্তে মেটাস্টেবল লেভেল ব্যবহার করার প্রস্তাব দিয়েছিলেন, যেখানে পরমাণুগুলো দীর্ঘ সময় ধরে থাকতে পারে।
থম্পসন বলেন, “আমরা আমাদের ল্যাবে প্রয়োজনীয় ক্ষমতা তৈরি করার পরিকল্পনা করছি প্রথমে পরমাণুটিকে একটি এক্সাইটেড স্টেটে নিয়ে যেতে যা সত্যিই দীর্ঘ সময় ধরে থাকে। এটি আমাদের স্ট্রনশিয়ামের মেটাস্টেবল-স্টেট এক্সাইটেড-স্টেট 3P2 এবং অন্য একটি এক্সাইটেড-স্টেট 3D3 এর মধ্যে 2.9-মাইক্রন তরঙ্গদৈর্ঘ্যের ট্রানজিশন ব্যবহার করতে দেবে। এই তরঙ্গদৈর্ঘ্য আমাদের ল্যাবে অপটিক্যাল ল্যাটিসে আটকে থাকা পরমাণুগুলোর মধ্যে সাধারণ দূরত্বের চেয়ে প্রায় আট গুণ বেশি। ট্র্যাপিং লাইটের তরঙ্গদৈর্ঘ্যের চেয়ে অনেক বেশি ট্রানজিশন তরঙ্গদৈর্ঘ্য থাকার মাধ্যমে, আমরা শক্তিশালী এবং প্রোগ্রামযোগ্য মিথস্ক্রিয়া উপলব্ধি করতে সক্ষম হব যখন পরমাণুগুলো একে অপরের খুব কাছাকাছি জমা হয়।”
আগারওয়াল যোগ করেন, “পরমাণুগুলো খুব কাছাকাছি থাকা প্রয়োজন, কারণ দূরত্বের সাথে মিথস্ক্রিয়া দুর্বল হয়ে যায়, এবং শেষ পর্যন্ত অন্যান্য ডিকোহেরেন্স (শোরগোল) উৎসের কারণে হারিয়ে যায়। পরমাণুগুলোকে কাছাকাছি রাখলে মিথস্ক্রিয়াগুলো প্রাধান্য পায়, যা এনট্যাঙ্গলমেন্টের বৃদ্ধি সংরক্ষণ করে।”
স্পিন মডেল এবং এনট্যাঙ্গলমেন্ট তৈরি
যে রেজিমে এক্সাইটেড লেভেলগুলো শুধুমাত্র “ভার্চুয়ালি” পপুলেটেড হয় এবং শুধুমাত্র পরমাণুগুলো মেটাস্টেবল স্টেট লেভেলে থাকতে পারে, সেখানে চার-স্তরের সমস্যাটিকে আবার দুটি স্তরের সিস্টেমে হ্রাস করা যেতে পারে, তবে আরও জটিল মিথস্ক্রিয়াগুলোর সাথে মোকাবিলা করতে হয়, যা শুধুমাত্র জোড়া-ভিত্তিক মিথস্ক্রিয়া নয়, বরং বহু-পরমাণু মিথস্ক্রিয়াও জড়িত।
রে ব্যাখ্যা করেন, “আমরা ফার ফ্রম রেজোন্যান্ট রেজিমে ফোকাস করেছি যেখানে শুধুমাত্র দুটি পরমাণু একটি নির্দিষ্ট সময়ে মিথস্ক্রিয়া করে। এই ক্ষেত্রে, মেটাস্টেবল স্টেট ডাইনামিক্স বর্ণনাকারী হ্যামিলটোনিয়ান একটি সুপরিচিত স্পিন মডেলে ম্যাপ করে।”
দলটি এই সুপরিচিত মডেলটি ব্যবহার করে “স্পিন ওয়েভ” নিয়ে গবেষণা করেছে, যা ল্যাটিস ব্যবস্থা জুড়ে পরমাণুর স্পিনের সমন্বিত নিম্ন-শক্তি এক্সাইটেশন। উপরন্তু, লেজারের ফোটনের পোলারাইজেশন এবং প্রচারের দিক নিয়ন্ত্রণ করে, গবেষকরা নির্ধারণ করতে পেরেছিলেন কোন “স্পিন-ওয়েভ প্যাটার্ন” প্রাধান্যশীলভাবে এনট্যাঙ্গলড হয়। পর্যবেক্ষণ করা এনট্যাঙ্গলমেন্টটি স্পিন-স্কুইজিং ছিল, যা এনট্যাঙ্গলমেন্টের একটি নির্দিষ্ট রূপ এবং যা বাহ্যিক শোরগোলের প্রতি সংবেদনশীলতা বৃদ্ধি করে, এইভাবে মেট্রোলজির জন্য উপযোগী।
“আমাদের সিস্টেমে স্পিন-স্কুইজিং পরীক্ষামূলকভাবে পরিমাপ করা যেতে পারে এবং এটি কোয়ান্টাম এনট্যাঙ্গলমেন্টের একটি সাক্ষ্য হিসাবে কাজ করে। আমাদের সেটআপের ম্যানি-বডি ফিজিক্স সিমুলেশনের সম্ভাব্য প্রয়োগও রয়েছে,” বলেন আগারওয়াল।
এই আবিষ্কারটি বিশেষভাবে তাৎপর্যপূর্ণ, কারণ এটি ইঙ্গিত দেয় যে কোয়ান্টাম সিস্টেমগুলো ডিকোহেরেন্স প্রতিরোধের জন্য ক্রমাগত হস্তক্ষেপের প্রয়োজন ছাড়াই দীর্ঘ সময় ধরে এনট্যাঙ্গলমেন্ট বজায় রাখতে পারে।
সিমুলেশনের মোকাবেলা
যদিও দলের মডেলটি আশাব্যঞ্জক অন্তর্দৃষ্টি দিয়েছে, এটি সময়ের সাথে সিস্টেমের সঠিক সিমুলেশনের ক্ষেত্রেও সীমাবদ্ধতার সম্মুখীন হয়েছে। মূল সীমাবদ্ধতাগুলোর মধ্যে একটি হল ডাইপোল-ডাইপোল মিথস্ক্রিয়া, যা সরল মিথস্ক্রিয়াগুলোর মতো নয়, বরং দীর্ঘ-পরিসরের শক্তি জড়িত যা ল্যাটিসে কাছাকাছি এবং দূরের পরমাণুগুলোর মধ্যে সংযোগ স্থাপন করে। উপরন্তু, এই সংযোগগুলো অ্যানিসোট্রপিক এবং পারমাণবিক ডাইপোলগুলোর আপেক্ষিক অভিযোজনের উপর নির্ভর করে, যা সিস্টেমকে আরও জটিল করে তোলে। প্রতিটি পরমাণু ল্যাটিসে বিভিন্ন দিকে অবস্থিত তার প্রতিবেশীদের সাথে ভিন্নভাবে মিথস্ক্রিয়া করে, যা অ্যারে জুড়ে বিভিন্ন মিথস্ক্রিয়া শক্তি এবং চিহ্নের দিকে নিয়ে যায়।
অন্যান্য জনপ্রিয় সিমুলেশন কৌশলগুলো, যা স্বল্প-পরিসরের মিথস্ক্রিয়াগুলোর জন্য ডিজাইন করা হয়েছে, দীর্ঘ-পরিসরের মিথস্ক্রিয়াগুলোর ক্ষেত্রে ব্যর্থ হয়, কারণ তারা সময়ের সাথে বিকশিত অনেক সম্পর্ক হ্যান্ডেল করার জন্য সজ্জিত নয়। যদিও কিছু অন্যান্য পদ্ধতি দীর্ঘ-পরিসরের পারমাণবিক মিথস্ক্রিয়াগুলোর জন্য আরও উপযুক্ত, তবে তাদের গণনামূলক জটিলতার কারণে সেগুলো ছোট পরমাণু সংখ্যার জন্য সীমাবদ্ধ, যা গবেষকদের একটি বড় সিস্টেমে দীর্ঘ সময়ের সম্পর্কের অগ্রগতি পর্যবেক্ষণ করার ক্ষমতাকে সীমিত করে।
কোয়ান্টাম তথ্য বিজ্ঞান
দলের এই আবিষ্কার কোয়ান্টাম তথ্য বিজ্ঞান এবং কোয়ান্টাম কম্পিউটিং এর ক্ষেত্রে নতুন দিগন্ত খুলে দিতে পারে, যা অত্যন্ত এনট্যাঙ্গলড এবং স্কেলযোগ্য কোয়ান্টাম সিস্টেমের উন্নয়নের জন্য একটি সম্ভাব্য পথ প্রদান করে।
“আমরা এমন সিস্টেমের দিকে এগিয়ে যাচ্ছি যা নির্ভরযোগ্যভাবে এনট্যাঙ্গলমেন্ট বজায় রাখতে পারে, যা ভবিষ্যতের কোয়ান্টাম অ্যাপ্লিকেশনের জন্য একটি গুরুত্বপূর্ণ পদক্ষেপ,” বলেন আগারওয়াল। ভবিষ্যতে, গবেষণা দলটি আরও বিস্তৃত মাল্টিলেভেল সিস্টেম কিভাবে এনট্যাঙ্গলমেন্ট সম্ভাবনাকে বাড়াতে পারে তা অন্বেষণ করার পরিকল্পনা করেছে।
“স্ট্রনশিয়ামের মতো পরমাণুতে, যেখানে ১০টি গ্রাউন্ড এবং এক্সাইটেড লেভেল রয়েছে, জটিলতা উল্লেখযোগ্যভাবে বৃদ্ধি পায়, এবং আমরা দেখতে চাই কিভাবে এটি এনট্যাঙ্গলমেন্টকে প্রভাবিত করে,” বলেন আগারওয়াল। “এছাড়াও, আমরা এখানে ফ্রি স্পেসে পরমাণুগুলোর মধ্যে মিথস্ক্রিয়ার উপর ফোকাস করেছি, একটি উত্তেজনাপূর্ণ এক্সটেনশন হল বুঝতে পারা কিভাবে এই মিথস্ক্রিয়াগুলো অতিরিক্ত ফোটন-মধ্যস্থিত মিথস্ক্রিয়াগুলোর সাথে খেলতে পারে যখন পরমাণুগুলো একটি অপটিক্যাল ক্যাভিটি বা ন্যানোফোটোনিক ডিভাইসের ভিতরে স্থাপন করা হয়,” তিনি যোগ করেন।
“ক্যাভিটি ফোটন দ্বারা মধ্যস্থিত অসীম পরিসরের মিথস্ক্রিয়া এবং এখানে বর্ণিত ডাইপোল-ডাইপোল মিথস্ক্রিয়াগুলোর মধ্যে প্রতিযোগিতা আলো-মধ্যস্থিত কোয়ান্টাম গেট, এনট্যাঙ্গলমেন্ট বিতরণ এবং প্রোগ্রামযোগ্য কোয়ান্টাম ম্যানি-বডি ফিজিক্স ব্যবহার করার জন্য দুর্দান্ত সুযোগ খুলে দিতে পারে,” বলেন থম্পসন।
পরমাণু প্রভাবকের সক্রিয় স্থানের গঠন নির্ভুলভাবে বিশ্লেষণ করার জন্য সফটওয়্যার তৈরি করেছে একদল গবেষক
