Heralded photonic graph states with inefficient quantum emitters
यह शोध पत्र अक्षम क्वांटम उत्सर्जकों का उपयोग करके फोटोनिक ग्राफ अवस्थाओं को उत्पन्न करने के लिए एक हेराल्डेड योजना प्रस्तावित करता है जो फोटॉन संग्रह दक्षता के सापेक्ष निर्माण समय में बहुपद स्केलिंग प्राप्त करता है, जिससे नियत फोटॉन संग्रह की आवश्यकता के बिना निकट-अवधि हार्डवेयर पर सुरक्षित टू-पार्टी कंप्यूटेशन जैसे कुशल वितरित क्वांटम कार्यों को सक्षम बनाया जा सके।
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क्वांटम कंप्यूटिंग उन समस्याओं को हल करने का वादा करती है जो वर्तमान में सबसे शक्तिशाली सुपरकंप्यूटरों के लिए भी असंभव हैं, जैसे कि नई दवाओं को डिजाइन करने से लेकर वैश्विक संचार को सुरक्षित करने तक। इस वादे के केंद्र में 'एंटैंगलमेंट' (entanglement) नामक एक घटना है, जहाँ कण इतने गहराई से जुड़ जाते हैं कि एक की स्थिति दूसरे को तुरंत प्रभावित करती है, चाहे उनके बीच की दूरी कितनी भी हो। इस शक्ति का लाभ उठाने के लिए, वैज्ञानिकों को अक्सर इन जुड़े हुए कणों के विशाल, जटिल जाल बनाने की आवश्यकता होती है, जिन्हें 'ग्राफ स्टेट्स' (graph states) कहा जाता है। प्रकाश-आधारित क्वांटम कंप्यूटिंग के क्षेत्र में, ये जाल फोटॉन्स (photons) से बनाए जाते हैं, जो प्रकाश के वे सूक्ष्म पैकेट हैं जो सूचना ले जाते हैं। चुनौती लंबे समय से यह रही है कि इन जालों को बनाने के लिए एक ऐसी मशीन की आवश्यकता होती है जो अपने द्वारा बनाए गए प्रत्येक फोटॉन को पूर्ण विश्वसनीयता के साथ पकड़ सके और थाम सके। यदि प्रक्रिया के दौरान एक भी फोटॉन खो जाता है, तो पूरी संरचना ढह जाती है, जिससे कंप्यूटर को शून्य से फिर से शुरू करने के लिए मजबूर होना पड़ता है। वर्षों से, पूर्णता की यह आवश्यकता बड़े पैमाने के क्वांटम नेटवर्क को पहुंच से बाहर रखे हुए है, क्योंकि आज उपलब्ध सर्वोत्तम प्रकाश स्रोत भी अभी भी बड़ी संख्या में फोटॉन्स खो देते हैं।
इलिनोइस विश्वविद्यालय अर्बाना-चैंपेन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन क्वांटम जालों को बनाने का एक नया तरीका प्रस्तावित किया है जो तब भी काम करता है जब प्रकाश स्रोत अपूर्ण हो। हर फोटॉन को तुरंत पकड़ने की मांग करने के बजाय, उन्होंने एक विधि विकसित की है जिसे वे "एमिट-देन-ऐड" (emit-then-add) कहते हैं। इस दृष्टिकोण में, सिस्टम एक फोटॉन उत्पन्न करता है और उसे बढ़ते हुए नेटवर्क से जोड़ने से पहले यह पुष्टि करने के लिए प्रतीक्षा करता है कि उसे सफलतापूर्वक एकत्र कर लिया गया है। यदि फोटॉन खो जाता है, तो सिस्टम बिना पहले से बने नेटवर्क के हिस्से को बाधित किए, बस फिर से प्रयास करता है। रणनीति में यह सरल बदलाव खेल के नियम बदल देता है। जहाँ पिछली विधियों में नेटवर्क का आकार बढ़ने के साथ इसे बनाने में घातांकीय रूप से (exponentially) अधिक समय लगता था, वहीं यह नई विधि बहुत ही सहजता से स्केल करती है, जिसमें समय में केवल एक बहुपद (polynomial) वृद्धि की आवश्यकता होती है। इसका अर्थ यह है कि वर्तमान तकनीक के साथ, जो हर फोटॉन को पकड़ने में संघर्ष करती है, वैज्ञानिक अब उन बड़े, जटिल क्वांटटम अवस्थाओं को वास्तविक रूप से बना सकते हैं जिनकी आवश्यकता शक्तिशाली गणनाओं के लिए होती है।
शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि इस तकनीक के लिए केवल थोड़े से अतिरिक्त हार्डवेयर की आवश्यकता होती है: क्वांटम सूचना को संग्रहीत करने के लिए एक अतिरिक्त मेमोरी यूनिट और प्रत्येक फोटॉन जोड़े जाने के लिए कुछ अतिरिक्त ऑपरेशन। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने दिखाया कि कई महत्वपूर्ण कार्यों के लिए, जैसे कि सुरक्षित गणना करना, सिस्टम को फोटॉन्स को एक विशेष मेमोरी बैंक में स्टोर करने की भी आवश्यकता नहीं है। इसके बजाय, फोटॉन्स को तुरंत मापा और उपयोग किया जा सकता है, बशर्ते कि माप एक विशिष्ट क्रम में हो। यह एक ऐसी चीज़ बनाने की अनुमति देता है जिसे लेखक "वर्चुअल" (virtual) ग्राफ स्टेट कहते हैं, जो उलझे हुए कणों का एक विशाल नेटवर्क है जो वास्तव में एक ही समय में अस्तित्व में नहीं होते हैं। नेटवर्क को एक प्रवाहमय अनुक्रम में बनाया, उपयोग और मापा जाता है, जो प्रकाश को लंबे समय तक संग्रहीत करने वाली कठिन तकनीक की आवश्यकता को दरकिनार कर देता है।
इस खोज के व्यावहारिक मूल्य को सिद्ध करने के लिए, टीम ने सुरक्षित टू-पार्टी कंप्यूटेशन (two-party computation) के लिए एक विशिष्ट प्रोटोकॉल डिजाइन किया, जो एक ऐसी स्थिति है जहाँ दो लोग एक साथ एक परिणाम की गणना करना चाहते हैं बिना एक-दूसरे को या तीसरे पक्ष (जो एक रेफरी के रूप में कार्य करता है) को अपनी निजी इनपुट बताए। अपने नए तरीके का उपयोग करते हुए, उन्होंने दिखाया कि इस सुरक्षित गणना को वर्तमान हार्डवेयर पर कुशलतापूर्वक किया जा सकता है। यह प्रोटोकॉल बारह फोटॉन्स के एक छोटे, निश्चित आकार के क्वांटम स्टेट पर निर्भर करता है, जिसे बार-बार उत्पन्न और वितरित किया जा सकता है। आज के प्रकाश स्रोतों की खामियों के बावजूद, सिस्टम त्रुटियों को ठीक कर सकता है और सुरक्षा बनाए रख सकता है। शोधकर्ताओं का अनुमान है कि सर्वोत्तम उपलब्ध क्वांटम उत्सर्जकों (emitters) के साथ, यह दृष्टिकोण महत्वपूर्ण आकार के इनपुट को संभाल सकता है, जिससे उन वास्तविक दुनिया के सुरक्षित क्वांटम अनुप्रयोगों के द्वार खुल जाते हैं जो पहले असंभव माने जाते थे।
इस कार्य का महत्व वर्तमान तकनीक की अपूर्ण वास्तविकता के साथ इसकी अनुकूलता में निहित है। अधिकांश मौजूदा प्रस्ताव क्वांटम नेटवर्क के लिए दक्षता के एक ऐसे स्तर को मानते हैं जो अभी तक अस्तित्व में ही नहीं है, जिससे वे निकट भविष्य के उपयोग के लिए अव्यवहारिक हो जाते हैं। फोटॉन्स के खो जाने को स्वीकार करके और एक ऐसी प्रणाली डिजाइन करके जो उन नुकसानों से उबर सके बिना फिर से शुरू किए, शोधकर्ताओं ने एक प्रमुख बाधा को हटा दिया है। उनकी विधि सीमित कारक को प्रकाश को पकड़ने की क्षमता से बदलकर क्वांटम सूचना को समय के साथ स्थिर रखने की क्षमता में स्थानांतरित कर देती है, जो कि एक ऐसी चुनौती है जिससे वर्तमान सिस्टम कहीं बेहतर तरीके से निपट सकते हैं। यह सुझाव देता है कि शक्तिशाली क्वांटम नेटवर्क का मार्ग पूर्ण प्रकाश स्रोतों की प्रतीक्षा करने में नहीं, बल्कि हमारे पास पहले से मौजूद अपूर्ण स्रोतों का अधिक स्मार्ट तरीके से उपयोग करने में है।
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