NIST वैज्ञानिकों ने 'मनचाही wavelength' वाले लेज़र विकसित किए

• integrated photonics chip के भीतर एक ही laser color को कई तरह की visible light और infrared में बदलने, और सिर्फ circuit design के ज़रिए अलग-अलग unique wavelengths बनाने वाली संरचना प्रदर्शित की गई
• silicon wafer पर lithium niobate और tantala को 3D stacking के साथ जमा कर, light color conversion और electrical control को एक ही chip पर साथ में संभालने का तरीका अपनाया गया
• quantum clocks और quantum computers को हर atom के लिए उपयुक्त खास laser color चाहिए, लेकिन मौजूदा उपकरणों का आकार, लागत और power consumption वास्तविक उपयोग में बड़ी बाधा रहे हैं
• एक wafer पर नाखून के आकार की लगभग 50 chips और कुल 10,000 photonic circuits एकीकृत किए गए, और हर circuit अलग रंग output करता है; lab में infrared को visible light में बदलने का प्रदर्शन भी हुआ
• कम-लागत और पोर्टेबल photon-based systems की दिशा में निर्माण-पथ मिलने से, quantum technology के अलावा AI के लिए chip-to-chip communication और virtual reality displays जैसे उपयोगों तक विस्तार की संभावना उभरती है

---

integrated photonic circuits में प्रगति

• silicon wafer पर विशेष materials के जटिल patterns की परतें चढ़ाकर, electronic chips की तरह light को चलाने और information process करने वाली photonics chips बनाई गईं
  • यह chip laser, waveguide, filter और switch जैसे optical components का उपयोग करके circuit के भीतर light को पहुँचाती और process करती है
  • AI, quantum computers और optical atomic clocks जैसी उभरती technologies में मदद कर सकती है
• electrons की जगह photons का उपयोग करने वाले circuits, information transfer और processing में electricity से अलग गुण रखते हैं
  • photons, circuit से गुजरते समय electrons की तुलना में बहुत तेज़ चलते हैं
  • laser light, optical atomic clocks और quantum computers जैसी quantum technologies के control के लिए आवश्यक तत्व है
• integrated photonics के प्रसार में प्रमुख बाधाओं में से एक laser wavelength की सीमा है
  • high-quality, small-sized और high-efficiency lasers केवल कुछ सीमित wavelengths पर ही उपलब्ध हैं
  • semiconductor lasers, 980 nanometer infrared बनाने के लिए बहुत उपयुक्त हैं, जो मानव दृष्टि की सीमा के ठीक बाहर है
• optical atomic clocks और quantum computers को कई अन्य रंगों के lasers की ज़रूरत होती है
  • इन रंगों को बनाने वाले मौजूदा lasers बड़े, महंगे और अधिक power-consuming हैं, जिससे ऐसी quantum technologies व्यावहारिक रूप से कुछ विशेष-उद्देश्य वाली labs तक सीमित रहती हैं
• chip circuits के भीतर lasers को integrate करने से अधिक सस्ती और पोर्टेबल quantum technology की ओर बढ़ने की उम्मीद है
  • इससे lab के बाहर वास्तविक applications तक विस्तार संभव हो सकता है

multi-layer stacking method

• नई photonics chip को परत-दर-परत stacked structure में बनाया गया
  • इसकी शुरुआत silicon, silicon dioxide (glass) और आने वाली light का रंग बदल सकने वाले lithium niobate से coated एक standard silicon wafer से होती है
• metal pieces जोड़कर circuit किस तरह एक रंग की light को दूसरे रंग में बदले, इसे electrically control करना संभव बनाया गया
  • अलग metal-lithium niobate interface बनाकर circuit के भीतर light को तेज़ी से on/off करने की क्षमता लागू की गई
  • यह क्षमता data processing और high-speed routing का मुख्य तत्व है
• सबसे ऊपरी layer पर दूसरे nonlinear material tantalum pentoxide (tantala) का उपयोग किया गया
  • tantala एक laser color को input के रूप में लेकर, उसे पूरे visible rainbow और infrared wavelengths की विस्तृत range में बदल सकता है
  • इस material को heat किए बिना circuits के रूप में बनाने की तकनीक कई वर्षों में विकसित की गई, ताकि इसे अन्य materials के ऊपर बिना नुकसान के deposit किया जा सके
• अलग-अलग materials को 3D stacking के साथ pattern करके, layers के बीच light को कुशलता से route करने वाली एक single chip बनाई गई
  • इसमें tantala की light-conversion क्षमता और lithium niobate की controllability को जोड़ा गया
  • tantala को मौजूदा circuits में जोड़ा जा सकना इसकी प्रमुख ताकत है
• एक wafer पर लगभग नाखून के आकार की 50 chips और कुल 10,000 photonic circuits integrate किए गए
  • हर circuit अलग unique color output करता है
  • केवल circuit design से ही कई तरह के रंग बनाए जा सकते हैं

wavelength के अनुसार अनुकूलित lasers की मांग

• quantum clocks और quantum computers अक्सर information store और process करने के लिए atom arrays का उपयोग करते हैं
  • हर प्रकार के atom के internal quantum energy levels के अनुरूप laser चाहिए
• rubidium atom 780 nanometer की लाल रोशनी पर प्रतिक्रिया करता है
  • यह quantum computers और clocks में आम तौर पर इस्तेमाल होने वाले atoms का उदाहरण है
• strontium atom 461 nanometer की नीली रोशनी पर प्रतिक्रिया करता है
  • कोई दूसरा रंग डालने पर यह बिल्कुल प्रतिक्रिया नहीं करता
• ऐसे customized colors बनाने वाले मौजूदा lasers का आकार, लागत और जटिलता quantum computers और optical clocks की field deployment में बड़ी बाधा है
  • lab के बाहर field environments में ले जाने में यह एक प्रमुख सीमित करने वाला कारक है

संभावित उपयोग

• कम-लागत, low-power और portable optical clocks के कई क्षेत्रों में संभावित उपयोग हो सकते हैं
  • ज्वालामुखी विस्फोट और भूकंप की भविष्यवाणी में सहायता संभव
  • position finding और navigation में GPS alternative बन सकते हैं
  • dark matter की प्रकृति जैसे वैज्ञानिक रहस्यों की खोज में मदद कर सकते हैं
• quantum computers दवाओं और materials की physics तथा chemistry के अध्ययन के लिए नए approaches दे सकते हैं
• integrated photonic circuits के उपयोग केवल quantum technology तक सीमित नहीं हैं
  • यह tech companies द्वारा इस्तेमाल किए जाने वाले special chips के बीच signals को कुशलता से पहुँचाने में मदद कर सकते हैं
  • AI-based tools को अधिक powerful और efficient बनाने में योगदान दे सकते हैं
• tech companies photonics का उपयोग virtual reality displays को बेहतर बनाने के लिए भी करना चाहती हैं

commercialization path

• मौजूदा chip अभी mass production के लिए तैयार नहीं है
  • लेकिन इसकी fabrication technique आगे के रास्ते की ओर संकेत देती है
• technology को scale करने के लिए Octave Photonics के साथ सहयोग चल रहा है
  • यह Colorado के Louisville स्थित startup है
  • इसे पूर्व NIST researchers ने स्थापित किया था और यह technology scaling पर काम कर रहा है

visual और experimental विशेषताएँ

• नाखून के आकार की एक छोटी rectangular chip के भीतर laser light का रंग बदलने वाले कई circuits integrate किए गए हैं
  • तस्वीर में ऐसा एक circuit दिखाया गया है जो अदृश्य infrared को दिखाई देने वाली नीली रोशनी में बदलता है
  • size comparison के लिए dime coin का उपयोग किया गया
• nonlinear optics आधारित chip में दर्जनों रंगों के lasers शामिल हो सकते हैं
• lab में chip के अदृश्य light लेकर कई visible lights उत्पन्न करने वाले operation की पुष्टि की गई
  • यह एक ही integrated chip के भीतर विविध applications की संभावना को सहज रूप से दिखाता है

[GN⁺]

Hacker News टिप्पणियाँ

• सिर्फ़ magenta या brown की बात ही नहीं, बिना laser के भी अभी illusory colors देखे जा सकते हैं। इस लेख के साथ चलते हुए आपको शायद hyper-turquoise जैसा कोई रंग दिखने का अनुभव हो

  • मुझे color और light की frequency का विचार ही बेहद आकर्षक लगता है। आखिरकार light तो सिर्फ़ एक physical signal है, लेकिन रंग का हमारा subjective अनुभव उससे कहीं ज़्यादा समृद्ध है। जो red मैं देखता हूँ और जो red कोई दूसरा महसूस करता है, वे वास्तव में अलग भी हो सकते हैं, लेकिन हम दोनों उसे red कहते हैं और उसे आग, प्यार, गर्मी, ख़तरे जैसी चीज़ों से जोड़ते हैं — यह बात खास तौर पर दिलचस्प लगती है
  • जिस दिन मुझे color के बारे में कुछ नया सीखने को मिलता है, वह दिन अपने-आप अच्छा लगने लगता है। मेरा पसंदीदा color trivia यह है कि monochromatic pink जैसी कोई चीज़ नहीं होती। Pink बनाने के लिए visible spectrum के दोनों सिरों, यानी लाल और बैंगनी रोशनी के परिवार को मिलाना पड़ता है, इसलिए सख्ती से कहें तो इंद्रधनुष में pink नहीं होता
  • मुझे ocular/retinal migraine होता है, इसलिए मैं पहले से बता देना चाहता हूँ कि ऐसे लोगों के लिए इस लेख का visual experiment अच्छा न भी हो सकता है
  • लेख में लिखा था, “बस बिंदु को देखते रहो, 1 मिनट लगेगा,” तो मैंने करके देखा, लेकिन सच कहूँ तो लगा कि बस समय बर्बाद हुआ
  • मुझे यह कुछ हद तक उस तरह की चीज़ों को समझाता हुआ लगा जो acid पर trip करते समय दिखाई देती हैं

• मुझे लगता है कि लेख में “photon circuit से electron की तुलना में बहुत तेज़ी से गुजरते हैं” जैसी बात थोड़ी भ्रामक हो सकती है। Electron खुद प्रकाश की गति से नहीं चलते, लेकिन electrical information का संचार पहले से ही लगभग light speed के क़रीब होता है। इसलिए मुझे लगता है कि computing performance में असली सुधार latency से ज़्यादा bandwidth की तरफ़ हो सकता है

  • मेरी समझ में electrical circuits में information, electron के ढेर के सीधे दौड़ने से नहीं बल्कि electric field के ज़रिये पहुँचती है, और उसका propagation speed प्रकाश की गति के क़रीब होता है
  • मेरी जानकारी के हिसाब से Cat6 cable लगभग 0.6c के आसपास होती है, और cable के प्रकार के अनुसार थोड़ा और तेज़ भी हो सकती है। Optical fiber में भी core के refractive index की वजह से light की speed लगभग 0.6c ही रहती है

• मुझे अच्छा लगेगा अगर कोई यहाँ जिस photonic computing की बात हो रही है, उसे आसान भाषा में समझा दे कि इसमें सचमुच कितना ठोस substance है

  • मुझे कुछ फ़ायदे तुरंत समझ में आते हैं। Optical communication में कई रंगों की रोशनी को एक ही fiber में बहुत ज़्यादा मात्रा में भरा जा सकता है, और हर रंग पर कई दसियों GHz modulation चढ़ाई जा सकती है, इसलिए अभी भी बहुत सारा unused bandwidth पड़ा है। साथ ही अगर laser wavelength को बहुत सटीकता से tune किया जा सके, तो किसी खास binding energy के अनुरूप molecular chemistry भी संभव हो सकती है, और laser cutting/welding भी अधिक efficient wavelength चुनकर आगे बढ़ सकती है
  • मेरे हिसाब से मुख्य बात यह है कि अब मनचाही optical frequency पैदा करने वाले devices बनाने का तरीका मिल गया है। अब तक chip पर लगाए जा सकने लायक सस्ते, छोटे और efficient laser सिर्फ़ कुछ wavelengths पर ही संभव थे, और अब वह सीमा ढीली पड़ती दिख रही है। लेख में बात कुछ बढ़ा-चढ़ाकर कही गई है, लेकिन paper में efficiency numbers भी हैं; उदाहरण के लिए 485nm पर 35mW input देकर 6mW output मिलता है। खासकर multimode optical communication में ज़्यादा frequencies इस्तेमाल करके bandwidth बढ़ाने, या devices को और छोटे, सस्ते और efficient बनाने की संभावना दिखती है
  • मैं इसे व्यापक basic research की तरह देखता हूँ। किसी वास्तविक समस्या के समाधान में इस्तेमाल होने से पहले यह कितना मूल्यवान साबित होगा, इसका अनुमान पहले से लगाना लगभग असंभव है। बहुत abstract mathematics भी बाद में विशाल उद्योगों की नींव बनी है। फिर भी laser wavelength control आधुनिक communication technology का एक केंद्रीय हिस्सा है, इसलिए मुझे नहीं लगता कि यह काम पूरी तरह बेकार साबित होगा
  • मुझे लगता है कि यह शायद quantum computing में और सीधे काम आ सकता है। Ion trap में कौन-सा ion चुनना है, यह आख़िरकार इस बात से जुड़ा होता है कि कौन-सी wavelength को स्थिर रूप से बनाया जा सकता है, और अभी चयन अक्सर modified telecom lasers से आसानी से संभाली जा सकने वाली wavelengths की ओर झुक जाता है। अगर laser wavelength को इस स्तर तक स्वतंत्र रूप से समायोजित किया जा सके, तो यह बाधा हट सकती है और शायद दूसरे गुणों वाले ions चुनना संभव हो जाए
  • मैं इस क्षेत्र का विशेषज्ञ नहीं हूँ, लेकिन मुझे लगता है कि कुछ मुख्य शर्तें हैं। पहली, arbitrary wavelength generation संभव होनी चाहिए; दूसरी, उन wavelengths को बहुत सटीकता से मापा जा सके; और तीसरी, शायद holographic gates जैसी चीज़ें भी चाहिए होंगी जो frequency के प्रति बहुत sensitive न हों। अगर ये सब मिल जाए, तो computing capacity आख़िरकार अलग-अलग wavelengths को अलग पहचानने की क्षमता पर निर्भर करेगी। सिद्धांततः बात वहाँ तक जा सकती है जहाँ आपने बहुत अधिक computation की हो, लेकिन उसे detect ही न कर सकें — और यह एक काफ़ी दार्शनिक सवाल बन जाता है

• अगर अंतिम लागत ठीक रही, तो मुझे लगता है कि ion trap quantum computing के लिए यह निश्चित रूप से अच्छी ख़बर है। Ions को trap करने के लिए जिस laser wavelength की ज़रूरत होती है, वह चुने गए molecule या species पर निर्भर करती है, और आज के उपकरण महंगे, नाज़ुक और calibrate करने में कठिन होते हैं; dye laser इस्तेमाल करने पड़ें तो मामला और झंझटभरा हो जाता है

  • मुझे लगता है कि यह neutral atoms पर भी लागू होता है। Atoms को Rydberg state में pump करने के लिए काफ़ी clean light चाहिए होती है

• अगर आगे चलकर RGB primaries के त्रिकोणीय gamut में कैद रहने के बजाय primaries ही dynamically बदलें और लगभग सारे रंग दिखाने वाले नए displays आएँ, तो मुझे वह बेहद रोमांचक लगेगा

  • मुझे बस सारे रंग चाहिए। हो सके तो पूरा spectral distribution ही दे दो
  • यह विचार मुझे शानदार लगता है, लेकिन तब मेरे मन में सवाल उठता है कि image data को encode कैसे किया जाएगा

• मैं मूल paper यहाँ साझा करना चाहता था

• मुझे लगता है कि शीर्षक थोड़ा misleading है। यह किसी सचमुच के general-purpose computer की बात कम और integrated optics में laser input frequency के लिए कई तरह के nonlinear optical effects का इस्तेमाल करके किसी प्रकार का computation करने की बात ज़्यादा लगती है

  • मैं इसे ज़रूरी नहीं कि ऐसे ही देखूँ। Experiment में जो दिखाया गया है, वह असल में लगभग “लगभग हर wavelength” को cover करने वाला supercontinuum source है, और सिर्फ़ इसे integrated chip पर लागू कर लेना भी अपने-आप में काफ़ी प्रभावशाली लगता है

• जब मैं सोचता हूँ कि electron को chip से smart devices तक पहुँचने में 60 साल लगे, तो लगता है कि अगर photon भी वैसा ही रास्ता अपनाते हैं, तो हमने अभी बस starting gun चलाई है। खासकर यह बात बहुत रोचक है कि tantala एक single laser color को लेकर उसे लगभग पूरे rainbow में फैला देता है

• मुझे याद आया कि अमेरिकी Navy लंबे समय से एक तरह की holy grail मानी जाने वाली free electron laser पर शोध करती रही है। इसका एक उदाहरण Boeing प्रेस रिलीज़ में देखा जा सकता है

• जब मैं “सचमुच किसी भी wavelength वाला laser” सुनता हूँ, तो अंततः gamma-ray laser जैसी चीज़ भी याद आती है। वास्तविकता आसान नहीं है, लेकिन ऐसा हो तो अच्छा लगेगा

  • इसकी वजह से मेरी यह जिज्ञासा भी दूर हुई कि क्या उसे सचमुच graser कहा जाता है। दूसरी ओर, मेरे भीतर के SF पाठक का एक हिस्सा यह भी चाहता था कि यह शब्द कभी gravitational-wave oscillator जैसी किसी चीज़ के लिए सुरक्षित रखा जाए