Quantum Interference in Atomic Medium: A leap for High Precision Quantum Sensors

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Recent advancements in quantum technologies:

Recent advancements in quantum technologies have paved the way for developing high-precision quantum sensors, with the potential to revolutionize several industries, including communication, cryptography, and computing. One such breakthrough has been achieved by researchers at the Raman Research Institute (RRI) in India, where experimentalists have succeeded in using Potassium atoms to store light for a considerable amount of time. This pioneering work holds immense promise for quantum protocols like quantum memory and quantum communication, offering precise control over light-matter interactions.

The Experiment: Exploring Quantum Coherence with Potassium

Traditionally, scientists have worked with Rubidium and Cesium atoms for quantum research, as they are easier to manipulate. However, Potassium has proven to be more challenging due to its atomic properties, making it a less explored option. Despite these difficulties, Gourab Pal and Dr. Saptarishi Chaudhuri from the QuMix lab at RRI, in collaboration with Prof. Subhasish Dutta Gupta from TIFR Hyderabad, have made significant strides by using thermal Potassium atoms.

In their experiment, the team used two highly stabilized laser beams to create quantum interferences within the Potassium atomic medium. These interferences are achieved through a process called Electromagnetically Induced Transparency (EIT), where one laser (probe) is controlled by another (control) to manipulate how the atomic medium responds to the light. This interaction essentially “stores” the light’s information within the atoms, only to revert it back after some time, effectively enabling light storage.

Unveiling new Quantum Phenomena: Triple Resonance in Potassium

One of the key discoveries from these experiments was the observation of three transparency windows (or resonance lines) in the absorption spectrum of Potassium atoms. Traditionally, experiments with other alkali atoms like Rubidium or Cesium have yielded only one resonance line. The presence of three lines in Potassium atoms is attributed to their hyperfine ground states, where the closely spaced energy levels allow for additional pathways of light interaction.

This unique feature enhances the potential for quantum applications. “The novel feature of three transparency windows using Potassium vapours was observed for the first time,” said Dr. Chaudhuri, adding that this opens up possibilities for ultra-precise frequency stabilization of lasers, a crucial tool in many spectroscopic experiments and quantum technologies.

Applications in Quantum sensors and Quantum communication

The ability to control and store light through atomic mediums like Potassium could have far-reaching implications in quantum computing and quantum communication. By transferring the information carried by photons into atomic states, this process provides a reliable mechanism for quantum memory, where light can be stored and retrieved on demand.

Moreover, the scalable nature of this experiment means that it can be applied to a wide range of quantum protocols, enabling the development of highly sensitive quantum sensors that could detect minute changes in energy states, frequencies, or even gravitational waves with unprecedented precision.

Theoretical implications and future prospects

This research also corroborates the validity of the Quantum Master Equation (QME), even in cases where the energy level separation is minimal. QME provides a robust framework for simulating light-matter interactions in quantum systems, such as the Potassium atomic vapour used in this study. By incorporating various decay terms, the researchers successfully mimicked real-world quantum systems, laying the groundwork for future theoretical and experimental investigations.

As India continues to push the frontiers in quantum research, breakthroughs like these will significantly contribute to the global understanding of quantum technologies, driving innovations that can transform industries worldwide.

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परमाणु माध्यम में क्वांटम इंटरफेरेंस: उच्च सटीकता वाले क्वांटम सेंसर के लिए एक नई दिशा

हाल ही में किए गए अनुसंधान ने क्वांटम प्रौद्योगिकियों में एक नई क्रांति की शुरुआत की है, जो संचार, क्रिप्टोग्राफी और कंप्यूटिंग सहित कई उद्योगों में बड़ा बदलाव ला सकती है। इस दिशा में एक महत्वपूर्ण सफलता रमन रिसर्च इंस्टीट्यूट (RRI) के वैज्ञानिकों ने प्राप्त की है, जिन्होंने पोटैशियम परमाणुओं का उपयोग करके एक ऐसा माध्यम तैयार किया है, जिसमें प्रकाश को लंबे समय तक संग्रहित किया जा सकता है। यह शोध भविष्य में क्वांटम मेमोरी और क्वांटम संचार जैसे प्रोटोकॉल्स के लिए महत्वपूर्ण साबित हो सकता है।

प्रयोग: पोटैशियम द्वारा क्वांटम सहकृति की खोज

वैज्ञानिक लंबे समय से रूबिडियम और सीज़ियम जैसे परमाणुओं के साथ काम कर रहे हैं, क्योंकि इनके साथ प्रयोग करना अपेक्षाकृत आसान है। हालांकि, पोटैशियम के साथ काम करना अधिक चुनौतीपूर्ण रहा है, जिसके कारण इसका उपयोग कम ही किया गया है। इन चुनौतियों के बावजूद, QuMix lab के गौरब पाल और डॉ. साप्तरिशि चौधरी, और TIFR हैदराबाद के प्रोफेसर सुभाषिश दत्ता गुप्ता ने पोटैशियम का उपयोग कर एक बड़ी उपलब्धि हासिल की है।

इस प्रयोग में, वैज्ञानिकों ने दो लेज़र बीम का उपयोग करके पोटैशियम परमाणुओं में क्वांटम इंटरफेरेंस उत्पन्न किया। यह प्रक्रिया Electromagnetically Induced Transparency (EIT) कहलाती है, जिसमें एक लेज़र (प्रोब) को दूसरे (कंट्रोल) द्वारा नियंत्रित किया जाता है ताकि परमाणु माध्यम से गुजरने वाले प्रकाश का प्रतिक्रिया बदला जा सके। यह प्रक्रिया प्रकाश की सूचना को परमाणुओं में संग्रहीत करती है, जो बाद में पुनः प्राप्त की जा सकती है।

क्वांटम घटनाओं की खोज: पोटैशियम में तीन अनुनाद

इस प्रयोग का सबसे महत्वपूर्ण परिणाम यह था कि पोटैशियम परमाणुओं में तीन पारदर्शिता विंडोज (अनुनाद रेखाएं) देखी गईं। अन्य क्षारीय परमाणुओं जैसे रूबिडियम या सीज़ियम के साथ किए गए पारंपरिक प्रयोगों में केवल एक अनुनाद रेखा देखी जाती है। पोटैशियम के हाइपरफाइन ग्राउंड स्टेट्स के कारण ये तीन रेखाएं उत्पन्न होती हैं, जो अतिरिक्त प्रकाश पथ बनाने की अनुमति देती हैं।

यह खोज अत्यधिक सटीक लेजर आवृत्ति स्थिरीकरण के लिए एक बड़ी उपलब्धि है, जो कई प्रयोगों और क्वांटम तकनीकों में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकती है।

क्वांटम सेंसर और संचार में अनुप्रयोग

प्रकाश को परमाणु माध्यम में नियंत्रित और संग्रहीत करने की यह क्षमता क्वांटम कंप्यूटिंग और क्वांटम संचार में भी अत्यधिक उपयोगी साबित हो सकती है। यह प्रक्रिया क्वांटम मेमोरी के लिए एक विश्वसनीय तंत्र प्रदान करती है, जहां प्रकाश को संग्रहित कर उसे जरूरत पड़ने पर पुनः प्राप्त किया जा सकता है।

इसके अलावा, इस प्रयोग की विस्तार क्षमता इसे विभिन्न क्वांटम प्रोटोकॉल्स में लागू करने की अनुमति देती है, जिससे अत्यधिक संवेदनशील क्वांटम सेंसर विकसित किए जा सकते हैं।

भविष्य की संभावनाएं और सैद्धांतिक निष्कर्ष

इस शोध ने क्वांटम मास्टर समीकरण (Quantum Master Equation ,QME)की वैधता की पुष्टि की है, जो प्रकाश-मैटर इंटरैक्शन को मापने के लिए एक महत्वपूर्ण सिद्धांत है। इसके जरिए वैज्ञानिक भविष्य में क्वांटम प्रौद्योगिकी के क्षेत्र में और अधिक उन्नत शोध कर सकते हैं।

भारत की क्वांटम तकनीकी में बढ़ती प्रगति के साथ, इस तरह की सफलता विश्व स्तर पर क्वांटम तकनीक की समझ को और बेहतर बनाएगी, जो आने वाले समय में विभिन्न उद्योगों को नया आयाम दे सकती है।

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