Dispersive Qubit Readout with Intrinsic Resonator Reset

एक उपयोगी क्वांटम कंप्यूटर बनाने की दौड़ में, गति केवल एक विलासिता नहीं है; यह एक आवश्यकता है। ये मशीनें सूचना की नाजुक इकाइयों पर निर्भर करती हैं जिन्हें क्वबिट (qubit) कहा जाता है, जो एक ही समय में कई अवस्थाओं में मौजूद हो सकते हैं, लेकिन वे अविश्वसनीय रूप से भंगुर भी होते हैं। क्वांटम कंप्यूटर को चालू रखने के लिए, वैज्ञानिकों को लगातार इसके क्वबिट्स की अवस्था की जांच करनी होती है और उन्हें शुरुआती स्थिति में वापस लाना होता है, जिसे माप (measurement) और इनिशियलाइजेशन (initialization) की प्रक्रिया के रूप में जाना जाता है। यदि यह प्रक्रिया बहुत धीमी है, तो कंप्यूटर द्वारा अपनी गणना पूरी करने से पहले ही सूचना खराब हो जाती है। वर्तमान बाधा स्वयं माप (measurement) है। कई प्रणालियों में, क्वबिट की अवस्था को पढ़ने से पीछे एक गूँज (echo) रह जाती है, जो माप उपकरण के भीतर फंसी ऊर्जा का एक अवशिष्ट क्षेत्र है जिसे गायब होने में लंबा समय लगता है। यह गूँज गणना के अगले चरण में हस्तक्षेप करती है, जिससे कंप्यूटर को ऊर्जा के स्वाभाविक रूप से कम होने तक प्रतीक्षा करने के लिए मजबूर होना पड़ता है, ठीक वैसे ही जैसे किसी घंटी को दोबारा बजाने से पहले उसके बजना बंद होने का इंतजार करना पड़ता है।

जर्मनी, स्वीडन और डेनमार्क के कई संस्थानों के शोधकर्ताओं ने इन क्वबिट्स को पढ़ने का एक नया तरीका विकसित किया है जो इस प्रतीक्षा अवधि को नाटकीय रूप से कम कर देता है। उन्होंने एक ऐसी विधि का प्रदर्शन किया जो न केवल एक सुपरकंडक्टिंग क्वबिट की अवस्था को मापती है, बल्कि माप उपकरण को सामान्य से बहुत कम समय में उसकी प्रारंभिक अवस्था में भी वापस ला देती है। एक विशिष्ट प्रकार के गणितीय पल्स (mathematical pulse) का उपयोग करके, वे माप उपकरण को उच्च ऊर्जा स्तर तक ले जाने और फिर तुरंत इसे शून्य के करीब वापस लाने में सक्षम रहे, और यह सब रेज़ोनेटर (resonator) के प्राकृतिक क्षय समय (decay time) के तीन गुना से भी कम समय में हुआ। यह सफलता क्वांटम कंप्यूटर को न्यूनतम अंतराल के साथ एक चरण से दूसरे चरण पर जाने की अनुमति देती है, जो बड़े पैमाने की मशीनों के निर्माण के लिए आवश्यक जटिल त्रुटि सुधार एल्गोरिदम (error correction algorithms) की एक महत्वपूर्ण आवश्यकता है।

टीम ने एक मानक सेटअप के साथ काम किया जिसमें एक ट्रांसमोन क्वबिट (transmon qubit) शामिल था, जो एक प्रकार का सुपरकंडक्टिंग सर्किट है जो सूचना वाहक के रूप में कार्य करता है, और एक रेज़ोनेटर से जुड़ा है, जो एक छोटा कक्ष है जो क्वबिट की अवस्था को पढ़ने के लिए माइक्रोवेव संकेतों को फँसाता है। एक पारंपरिक पठन प्रक्रिया में, माइक्रोवेव ऊर्जा का एक पल्स रेज़ोनेटर में भेजा जाता है। ऊर्जा इसके अंदर जमा होती है, क्वबिट के साथ परस्पर क्रिया करती है, और फिर धीरे-धीरे बाहर निकलती है। समस्या यह है कि माप के बाद, रेज़ोनेटर अभी भी ऊर्जा से भरा होता है, और उस ऊर्जा को अपने आप निकलने में लंबा समय लगता है। यह देरी, जो रेज़ोनेटर के प्राकृतिक क्षय समय से कई गुना अधिक हो सकती है, पूरे क्वांटम चक्र को रोक देती है। शोधकर्ता इस बात का तरीका खोजना चाहते थे कि माप पूरा होते ही रेज़ोनेटर को तुरंत खाली किया जा सके, जिससे प्राकृतिक क्षय के समाप्त होने का इंतजार किए बिना प्रतीक्षा समय को काफी कम किया जा सके।

इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिकों ने एक नए प्रकार के इनपुट सिग्नल, एक पल्स आकार (pulse shape) को डिजाइन किया, जिसे अनुमान लगाने या परीक्षण और त्रुटि (trial and error) के माध्यम से अनुकूलित करने के बजाय विश्लेषणात्मक रूप से (analytically) गणना करके बनाया गया है। यह पल्स दो चीजें एक साथ करने के लिए इंजीनियर किया गया है: यह क्वबिट की अवस्था के बारे में जानकारी निकालता है और फिर पल्स के समाप्त होते ही रेज़ोनेटर को उसकी प्रारंभिक, खाली अवस्था में वापस लाने के लिए मजबूर करता है। यह विधि प्रणाली के विशिष्ट गुणों को जानने पर निर्भर करती है, जैसे कि क्वबिट रेज़ोनेटर की आवृत्ति (frequency) को कैसे बदलता है और रेज़ोनेटर कितनी तेजी से ऊर्जा खोता है। इन मापदंडों के साथ, शोधकर्ता एक ऐसा पल्स निकाल सकते हैं जो रेज़ोनेटर को उच्च ऊर्जा स्तर तक ले जाता है और फिर प्रक्रिया को पूरी तरह से उलट देता है। अपने प्रयोगों में, उन्होंने रेज़ोनेटर को लगभग सौ फोटॉन (photons) की मात्रा तक पहुँचाया, जो ऊर्जा की एक महत्वपूर्ण मात्रा है, और फिर इसे रेज़ोनेटर के प्राकृतिक क्षय समय के तीन गुना से भी कम समय में एक फोटॉन के एक हजारवें हिस्से से भी कम स्तर पर वापस लाया।

परिणाम आश्चर्यजनक थे। जब उन्होंने इस नए पल्स का उपयोग किया, तो पल्स समाप्त होने के तुरंत बाद रेज़ोनेटर में अवशिष्ट ऊर्जा 35 डेसिबल से अधिक गिर गई, जिससे उपकरण प्रभावी रूप से शांत हो गया। यह पारंपरिक विधि की तुलना में एक बड़ा सुधार है, जहाँ ऊर्जा लंबे समय तक बनी रहती है। शोधकर्ताओं ने एक सूक्ष्म जटिलता का भी ध्यान रखा: तथ्य यह है कि क्वबिट स्वयं उच्च ऊर्जा स्तरों पर रेज़ोनेटर के व्यवहार को थोड़ा बदल सकता है, जो एक गैर-रेखीय (non-linear) प्रभाव है। इस प्रभाव को शामिल करने के लिए अपनी गणनाओं को समायोजित करके, उन्होंने सिस्टम को उसकी सीमाओं तक धकेलते हुए भी उच्च सटीकता बनाए रखी। उन्होंने एक प्रतिशत से कम की माप त्रुटि दर प्राप्त की, जो सर्वोत्तम संभव प्रदर्शन है जो केवल इस बात से सीमित है कि क्वबिट स्वाभाविक रूप से बदलने से पहले अपनी अवस्था में कितने समय तक रहता है। यह स्तर कि मशीन को सही ढंग से कार्य करने के लिए आवश्यक है।

इस दृष्टिकोण की बहुमुखी प्रतिभा को केवल एक दो-स्तरीय क्वबिट के बजाय, तीन-स्तरीय प्रणाली, जिसे 'क्युट्रिट' (qutrit) कहा जाता है, पर परीक्षण करके और अधिक प्रदर्शित किया गया। यह विधि उतनी ही अच्छी तरह से काम करती रही, जिसने क्युट्रिट की अवस्था को सफलतापूर्वक पढ़ा और रेज़ोनेटर को तुरंत रीसेट कर दिया। यह सुझाव देता है कि इस तकनीक को मूल तर्क को फिर से डिज़ाइन किए बिना अधिक जटिल क्वांटम प्रणालियों और कई संचालन मोड को संभालने के लिए बढ़ाया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि इस विधि के लिए सही पल्स आकार खोजने के लिए जटिल अनुकूलन या मशीन लर्निंग की आवश्यकता नहीं है; इसे केवल प्रणाली के मौलिक मापदंडों की आवश्यकता है, जो पहले से ही ज्ञात हैं। यह इस दृष्टिकोण को भविष्य के क्वांटम कंप्यूटरों में लागू करने के लिए सरल बनाता है।

इस कार्य का महत्व क्वांटम कंप्यूटिंग में एक प्रमुख बाधा को दूर करने की इसकी क्षमता में निहित है। माप और रीसेट को एक एकल, तीव्र घटना में एकीकृत करके, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि संचालनों के बीच प्रतीक्षा समय को नाटकीय रूप से कम किया जा सकता है। यह क्वांटम त्रुटि सुधार एल्गोरिदम को तेज़ी से और अधिक कुशलता से चलाने की अनुमति देता है, जिससे स्केलेबल, फॉल्ट-टोलरेंट (fault-tolerant) क्वांटम कंप्यूटर का लक्ष्य वास्तविकता के करीब आता है। एक सरल, विश्लेषणात्मक पल्स आकार के साथ यह उपलब्धि हासिल करने में टीम की सफलता का अर्थ है कि इस तकनीक को मौजूदा हार्डवेयर में अपेक्षाकृत आसानी से अपनाया जा सकता है। जैसे-जैसे क्वांटम कंप्यूटर आकार और जटिलता में बढ़ते हैं, क्वबिट्स को तेजी से और सटीक रूप से मापने और रीसेट करने की क्षमता एक ऐसी मशीन और एक विफल होने वाली मशीन के बीच का अंतर होगी जो काम करती है। यह नया तरीका एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है, यह सुनिश्चित करता है कि क्वांटम कंप्यूटर अपने स्वयं के मापों की गूँज में फंसे बिना आगे बढ़ता रहे।