Feasibility of performing quantum chemistry calculations on quantum computers
लेखक दो ऐसे मानदंड प्रस्तावित करते हैं जो यह दर्शाते हैं कि वर्तमान तकनीकों के साथ रसायन विज्ञान की गणनाओं में व्यावहारिक क्वांटम लाभ प्राप्त करना असंभावित है, क्योंकि VQE एल्गोरिदम को डिकोहेरेंस संवेदनशीलता के कारण फॉल्ट-टोलरेंट हार्डवेयर की आवश्यकता होती है जबकि QPE एल्गोरिदम ऑर्थोगोनैलिटी कैटास्ट्रोफी के कारण तेजी से कम होती सफलता की संभावनाओं से ग्रस्त होते हैं।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
मुख्य प्रश्न: क्या क्वांटम कंप्यूटर रसायन विज्ञान (Chemistry) को हल कर सकते हैं?
कल्पना कीजिए कि आपके पास एक बिल्कुल नई, सुपर-पावर्ड रेस कार है (क्वांटम कंप्यूटर)। हर कोई आपसे कह रहा है कि यह कार अणुओं (molecules) के काम करने के तरीके को समझने (इसे क्वांटम केमिस्ट्री कहते हैं) के जरिए नए दवाइयों और उर्वरकों (fertilizers) को डिजाइन करने के तरीके में क्रांति लाने वाली है।
इस पेपर के लेखक उन मैकेनिकों की तरह हैं जो इंजन की जांच कर रहे हैं। उन्होंने पूछा: "क्या यह कार वास्तव में रेस जीतने के लिए तैयार है, या यह सिर्फ एक फैंसी खिलौना है?"
उन्होंने उन दो मुख्य तरीकों को देखा जिनका उपयोग लोग केमिस्ट्री के लिए इन कारों का उपयोग करने के लिए करते हैं और उन्हें सड़क पर कुछ गंभीर गड्ढे मिले।
1. "शोर वाला" दृष्टिकोण (VQE)
विचार: यह तरीका उन क्वांटम कंप्यूटरों का उपयोग करने की कोशिश करता है जो हमारे पास अभी हैं। ये मशीनें तेज़ हैं लेकिन "नॉइज़ी" (noisy) हैं, जिसका अर्थ है कि वे गलतियाँ आसानी से करती हैं, जैसे बहुत अधिक स्टैटिक (static) वाला एक रेडियो।
समस्या:
कल्पना कीजिए कि आप एक बहुत ही धीमी फुसफुसाहट (वह रासायनिक ऊर्जा/chemical energy जिसे आप मापना चाहते हैं) को सुनने के लिए रेडियो ट्यून करने की कोशिश कर रहे हैं। लेकिन आप एक जेट इंजन के बगल में खड़े हैं (हार्डवेयर नॉइज़)।
- केमिस्ट्री में, "फुसफुसाहट" बहुत सूक्ष्म होती है।
- "जेट इंजन" का शोर बहुत बड़ा होता है।
पेपर दिखाता है कि कंप्यूटर का शोर भारी मात्रा में "नकली ऊर्जा" पैदा करता है। भले ही आप सॉफ्टवेयर ट्रिक्स (Error Mitigation) के साथ इस स्टैटिक को ठीक करने की कोशिश करें, लेकिन जेट इंजन का शोर बहुत ज्यादा तेज़ है। उस फुसफुसाहट को सुनने के लिए, आपको एक ऐसे कंप्यूटर की आवश्यकता होगी जो दोषरहित (perfect/noise-free) हो। लेकिन यदि आपके पास एक दोषरहित कंप्यूटर होता, तो आपको इस विशिष्ट "नॉइज़ी" तरीके की आवश्यकता ही नहीं होती।
फैसला: वर्तमान शोर वाले कंप्यूटरों का उपयोग करना एक ऐसी तराजू पर पंख तौलने जैसा है जो एक ट्रक पर कंपन कर रही है। परिणाम गलत होगा।
2. "परफेक्ट" दृष्टिकोण (QPE)
विचार: यह तरीका भविष्य का इंतज़ार करता है, जब हमारे पास दोषरहित, त्रुटि-मुक्त क्वांटम कंप्यूटर होंगे। यह "गोल्ड स्टैंडर्ड" एल्गोरिदम है।
समस्या:
इस तरीके का उपयोग करने के लिए, आपको एक शुरुआती अनुमान (starting guess) देना होगा। कल्पना कीजिए कि आप एक विशाल जंगल में किसी खोए हुए हाइकर (हाइकर वह अणु/molecule है) को ढूंढ रहे हैं।
- यदि आप वहीं खोज शुरू करते हैं जहाँ हाइकर को आखिरी बार देखा गया था, तो आप उन्हें जल्दी ढूंढ लेंगे।
- यदि आप देश के दूसरी ओर से खोजना शुरू करते हैं, तो आप उन्हें कभी नहीं ढूंढ पाएंगे।
पेपर ने पाया कि जैसे-जैसे अणु बड़े होते जाते हैं, "जंगल" भी तेजी से (exponentially) बड़ा होता जाता है। आपका शुरुआती अनुमान वास्तविक उत्तर के पास होने की संभावना कम और कम होती जाती है। इसे "ऑर्थोगोनैलिटी कैटास्ट्रोफी" (Orthogonality Catastrophe) कहा जाता है।
फैसला: भले ही आपके पास एक परफेक्ट कंप्यूटर हो, यदि आपको यह नहीं पता कि कहाँ से खोजना शुरू करना है, तो आप उत्तर नहीं ढूंढ पाएंगे। जैसे-जैसे अणु बड़ा होता है, सही अनुमान लगाने की संभावना लगभग शून्य हो जाती है।
3. प्रतिस्पर्धा (क्लासिकल कंप्यूटर)
विचार: हमें सामान्य कंप्यूटरों (जैसे कि वह लैपटॉप जिसका आप अभी उपयोग कर रहे हैं) को नहीं भूलना चाहिए।
तुलना:
लेखकों ने क्वांटम दृष्टिकोण की तुलना वेरिएशनल मोंटे कार्लो (VMC) नामक एक क्लासिकल विधि से की।
- क्वांटम (VQE): एक ऐसी रेस कार की तरह जो अक्सर खराब हो जाती है और जिसे काम करने के लिए एक परफेक्ट ट्रैक की आवश्यकता होती है।
- क्लासिकल (VMC): एक बहुत ही भरोसेमंद साइकिल की तरह। इसमें "नॉइज़" की समस्या नहीं है, और बेहतर सॉफ्टवेयर की मदद से यह हर साल तेज़ होती जा रही है।
फैसला: अणु की सबसे कम ऊर्जा खोजने के लिए, "साइकिल" (क्लासिकल कंप्यूटर) लंबे समय तक "रेस कार" (क्वांटम कंप्यूटर) को वास्तव में हरा सकती है।
निष्कर्ष: हार न मानें, बस ट्रैक बदलें
लेखक यह नहीं कह रहे हैं कि क्वांटम कंप्यूटर बेकार हैं। वे कह रहे हैं कि रसायन विज्ञान (chemistry) शायद शुरू करने के लिए सबसे अच्छी जगह नहीं है।
एक बेहतर लक्ष्य:
"सबसे गहरी घाटी" (सबसे कम ऊर्जा अवस्था) को खोजने के बजाय, शायद हमें क्वांटम कंप्यूटरों का उपयोग "नदी के बहाव" (समय के साथ कण कैसे चलते और बदलते हैं) को देखने के लिए करना चाहिए।
- "घाटी को ढूंढना" कठिन है क्योंकि क्लासिकल कंप्यूटर इसमें पहले से ही अच्छे हैं।
- "नदी के बहाव को देखना" क्लासिकल कंप्यूटरों के लिए कठिन है क्योंकि पानी बहुत अधिक अशांत (turbulent) हो जाता है जिससे उसे ट्रैक करना मुश्किल होता है।
सारांश:
पेपर सुझाव देता है कि हालांकि क्वांटम कंप्यूटर रोमांचक हैं, लेकिन वे अभी केमिस्ट्री की समस्याओं के लिए जादू की छड़ी नहीं हो सकते। हार्डवेयर बहुत शोर वाला है, और एल्गोरिदम के लिए ऐसे अनुमानों की आवश्यकता होती है जिन्हें लगाना बहुत कठिन है। हमें एक अलग "रेस ट्रैक" खोजने की आवश्यकता हो सकती है जहाँ क्वांटम कंप्यूटर वास्तव में अपनी गति दिखा सकें।
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