Enhancing dissipative cat qubit protection by squeezing
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि डिसिपेटिव कैट क्यूबिट्स (dissipative cat qubits) पर स्क्वीजिंग डिफॉर्मेशन (squeezing deformation) लागू करने से उनकी बिट-फ्लिप लाइफटाइम में 160 गुना वृद्धि होती है और गेट इनफिडेलिटी (gate infidelity) कम होती है, जिससे हार्डवेयर डिजाइन में बिना किसी संशोधन के त्रुटि संरक्षण (error protection) बढ़ जाता है।
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एक ऐसा कंप्यूटर बनाना जो आज की मशीनों की पहुंच से परे समस्याओं को हल कर सके, इसके लिए जानकारी को संग्रहीत करने के तरीके में एक मौलिक बदलाव की आवश्यकता है। क्वांटम दुनिया में, डेटा की मूल इकाई नाजुक होती है; यह गर्मी या विद्युत चुम्बकीय शोर की हल्की सी आहट से भी आसानी से बाधित हो जाती है, जिससे गणना ढह जाती है। एक विश्वसनीय मशीन बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को इस जानकारी को बचाने का एक तरीका खोजना होगा, बिना अतिरिक्त घटकों की विशाल सेना का उपयोग किए जो इसे लगातार जांचने और सुधारने के लिए आवश्यक हो। एक आशाजनक दृष्टिकोण में डेटा को एक एकल कण में नहीं, बल्कि एक छोटे विद्युत परिपथ के भीतर फंसे प्रकाश कणों, या फोटोन के सामूहिक व्यवहार में एनकोड करना शामिल है। इन "कैट क्यूबिट्स" (cat qubits) का नाम एक प्रसिद्ध विचार प्रयोग के आधार पर रखा गया है जिसमें एक बिल्ली एक साथ जीवित और मृत होती है; इस संदर्भ में, क्यूबिट एक ही समय में दो अलग-अलग अवस्थाओं में मौजूद होता है। इस डिजाइन की प्रतिभा यह है कि यह स्वाभाविक रूप से एक प्रकार की त्रुटि का विरोध करता है, जिसे 'बिट-फ्लिप' (bit-flip) कहा जाता है, जहाँ अवस्था गलती से एक से दूसरी में बदल जाती है। हालाँकि, यह एक अलग प्रकार की त्रुटि के प्रति संवेदनशील बना रहता है, जिसे 'फेज-फ्लिप' (phase-flip) कहा जाता है, जो दोनों अवस्थाओं के बीच के संबंध को अस्त-व्यस्त कर देता है। चुनौती हमेशा यह रही है कि पहली त्रुटि के विरुद्ध सुरक्षा को मजबूत कैसे किया जाए बिना दूसरी त्रुटि को बदतर बनाए, जो कि एक कठिन संतुलन था।
एलिस एंड बॉब (Alice & Bob) के शोधकर्ताओं की एक टीम ने, कई फ्रांसीसी संस्थानों के सहयोगियों के साथ मिलकर, इस संतुलन को उनके पक्ष में महत्वपूर्ण रूप से झुकाने का एक तरीका खोज लिया है। उन्होंने इन प्रकाश-आधारित क्यूबिट्स के मानक डिजाइन को लिया और उनके उपयोग किए जाने वाले प्रकाश अवस्थाओं के आकार में एक विशिष्ट विरूपण (deformation) लागू किया। कल्पना कीजिए कि एक मानक क्यूबिट की दो अवस्थाएं एक गणितीय स्थान में तैरते हुए दो अलग-अलग, गोल प्रायिकता बादलों (clouds of probability) की तरह हैं। नए डिजाइन में, शोधकर्ताओं ने इन बादलों को सिकोड़ा, उन्हें खींचकर लंबे आकार में बदल दिया जो अर्धचंद्राकार (crescent moons) की तरह दिखते हैं। यह सरल ज्यामितीय परिवर्तन, जिसे उनके मौजूदा उपकरणों में एक विशिष्ट प्रकार का सिग्नल जोड़कर प्राप्त किया गया, ने दो अवस्थाओं को इस तरह बहुत दूर कर दिया कि उन्हें एक-दूसरे के साथ भ्रमित करना अविश्वसनीय रूप से कठिन हो गया, जबकि उन्हें दूसरी प्रकार की त्रुटि के प्रति उतना ही स्थिर रखा गया।
प्रयोग के परिणाम आश्चर्यजनक थे। शोधकर्ताओं ने मापा कि क्यूबिट को गलती से अपनी अवस्था बदलने में कितना समय लगा। एक मानक, बिना विकृत (undeformed) वर्जन वाले इस क्यूबिट में, त्रुटि लगभग 138 मिलीसेकंड में हुई। उनके नए, स्क्वीज़्ड "मून कैट" (moon cat) संस्करण में, क्यूबिट ने इसी तरह की त्रुटि होने से पहले 22 सेकंड तक अपनी अवस्था बनाए रखी। यह स्थिरता में 160 गुना सुधार का प्रतिनिधित्व करता है। महत्वपूर्ण रूप से, यह विशाल लाभ दूसरी प्रकार की त्रुटि के प्रति संवेदनशीलता में वृद्धि की कीमत पर नहीं आया; जिस दर से क्यूबिट ने अपना फेज (phase) गँमाया, वह लगभग 1.3 माइक्रोसेकंड पर लगभग समान रहा। इसका अर्थ है कि शोधकर्ताओं ने सफलतापूर्वक एक विशिष्ट विफलता मोड के विरुद्ध क्यूबिट को बहुत अधिक मजबूत बनाया, बिना दूसरे के बचाव को कमजोर किए।
टीम ने यह भी परीक्षण किया कि ये नए क्यूबिट काम करने के दौरान कैसा प्रदर्शन करते हैं, विशेष रूप से एक 'लॉजिक गेट' (logic gate) चलाकर, जो एक बुनियादी ऑपरेशन है जहाँ कंप्यूटर सूचना को संसाधित करता है। उन्होंने पाया कि स्क्वीज़्ड क्यूबिट्स न केवल खाली बैठे रहने के दौरान अपनी अवस्था को लंबे समय तक बनाए रखते हैं, बल्कि ये ऑपरेशन्स अधिक गति और सटीकता के साथ भी करते हैं। गेट ऑपरेशन्स तेज़ थे, और गणना के दौरान त्रुटियों की संभावना काफी कम हो गई। शोधकर्ताओं ने देखा कि प्रकाश अवस्थाओं के नए आकार ने सिस्टम के लिए इन तीव्र गतिविधियों के दौरान अपने सुरक्षित क्षेत्र से बाहर निकलना कठिन बना दिया, जिससे त्रुटियां और भी कम हो गईं। यह सुधार इतना स्पष्ट था कि एक गेट ऑपरेशन के दौरान बिट-फ्लिप त्रुटि की समग्र संभावना मानक डिजाइन की तुलना में 220 के कारक से कम हो गई।
इस खोज को जो बात विशेष रूप से महत्वपूर्ण बनाती है, वह यह है कि इसके लिए कोई नई मशीन बनाने या सर्किट के भौतिक लेआउट को बदलने की आवश्यकता नहीं पड़ी। शोधकर्ताओं ने उसी सुपरकंडक्टिंग चिप और उन्हीं बुनियादी घटकों का उपयोग किया जो पिछले प्रयोगों में थे। उन्होंने केवल एक दूसरा नियंत्रण सिग्नल, एक विशिष्ट पंप फ्रीक्वेंसी, अपने मौजूदा सेटअप में जोड़ी ताकि स्क्वीजिंग प्रभाव पैदा किया जा सके। यह सुझाव देता है कि अधिक शक्तिशाली क्वांटम कंप्यूटरों का मार्ग हमेशा पूरी तरह से नए हार्डवेयर के आविष्कार की आवश्यकता नहीं रखता, बल्कि सिस्टम में पहले से मौजूद जानकारी को आकार देने के बेहतर तरीके खोजने के बारे में है। क्वांटम अवस्थाओं के आकार को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, टीम ने प्रदर्शित किया कि यह मानक डिजाइनों के साथ पहले से अनुमानित सीमाओं से कहीं आगे जाकर त्रुटि सुरक्षा को बढ़ावा देना संभव है।
शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि हालांकि स्क्वीजिंग प्रक्रिया ने दूसरी प्रकार की त्रुटि की दर में बहुत मामूली वृद्धि की, लेकिन यह नुकसान बिट-फ्लिप्स के विरुद्ध स्थिरता में भारी लाभ की तुलना में नगण्य था। उन्होंने यह भी देखा कि स्थिरता में सुधार तब तेजी से बढ़ा जब उन्होंने सिस्टम में फोटोन की संख्या बढ़ाई, जो मानक, गैर-स्क्वीज़्ड डिजाइनों के सैद्धांतिक स्तरों की तुलना में बहुत अधिक तीव्र पैटर्न का पालन करता है। यह सुझाव देता है कि जैसे-जैसे इन प्रणालियों को बढ़ाया जाएगा, इस तकनीक के लाभ और भी शक्तिशाली हो सकते हैं। यह कार्य दोष-सहिष्णु (fault-tolerant) क्वांटम कंप्यूटिंग के लक्ष्य को, जहाँ मशीनें निरंतर सुधार के बिना जटिल एल्गोरिदम चला सकती हैं, वास्तविकता के करीब लाता है।
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