Implementation of a quantum addressable router using superconducting qubits

आधुनिक कंप्यूटिंग की दुनिया में, सूचना को एक स्थान से दूसरे स्थान पर ले जाना एक मौलिक कार्य है। दशकों से, इंजीनियर डेटा पैकेटों को नेटवर्क के माध्यम से निर्देशित करने के लिए परिष्कृत प्रणालियाँ बनाते रहे हैं, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि एक कंप्यूटर से भेजा गया संदेश अपने सही गंतव्य तक बिना खोए पहुँच जाए। यह प्रक्रिया, जिसे रूटिंग (routing) कहा जाता है, संदेश और उस पते के बीच एक स्पष्ट अंतर पर निर्भर करती है जो यह बताता है कि उसे कहाँ जाना है। शास्त्रीय दुनिया में, ये दोनों अलग-अलग होते हैं: डेटा सामग्री है, और पता एक निश्चित लेबल है जो ऐसी भाषा में लिखा होता है जिसे राउटर समझता है। हालाँकि, उभरता हुआ क्वांटम कंप्यूटिंग का क्षेत्र एक गहरा प्रतिबंध पेश करता है: क्वांटम अवस्थाएँ (quantum states), जो इन नई मशीनों में सूचना को धारण करती हैं, उन्हें कॉपी नहीं किया जा सकता। यह नियम, जिसे 'नो-क्लोनिंग थ्योरम' (no-cloning theorem) कहा जाता है, का अर्थ है कि एक क्वांटम प्रणाली के भीतर की नाजुक सूचना को न तो डुप्लिकेट किया जा सकता है और न ही एक साथ कई रास्तों पर भेजा जा सकता है। फलस्वरूप, रूटिंग के पुराने तरीके काम नहीं करते। एक भविष्य के क्वांटम इंटरनेट या क्वांटम मेमोरी का निर्माण करने के लिए, जो डेटा तक तुरंत पहुँच सके, वैज्ञानिकों को एक नए प्रकार के राउटर की आवश्यकता है। इस उपकरण को एक क्वांटम पते को पढ़ने में सक्षम होना चाहिए—एक ऐसा निर्देश जो अनिश्चितता की स्थिति में मौजूद है, जहाँ रास्ता अभी तय नहीं हुआ है—और क्वांटम सिग्नल को उसी के अनुसार निर्देशित करना चाहिए, वह भी उस नाजुक सूचना को नष्ट किए बिना जिसे वह वहन करता है।

स्टैनफोर्ड यूनिवर्सिटी और यूनिवर्सिटी ऑफ शिकागो के शोधकर्ताओं की एक टीम ने सफलतापूर्वक ऐसा उपकरण बनाया और परीक्षण किया है, जो एक क्वांटम राउटर है जो सिग्नल और पते दोनों को पूरी तरह से क्वांटम मैकेनिकल तरीके से संभाल सकता है। वे इसे एक Q2-राउटर कहते हैं। उन्होंने जो हासिल किया है उसे समझने के लिए, एक ट्रैफिक चौराहे की कल्पना करें जहाँ ट्रैफिक लाइट स्वयं लाल या हरी नहीं है, बल्कि दोनों रंगों के सुपरपोजिशन (superposition) में है। एक मानक चौराहे में, लाइट प्रवाह को निर्धारित करती है। इस क्वांटम संस्करण में, "लाइट" एक क्वांटм बिट, या क्यूबिट (qubit) है, जो एक ही समय में लाल और हरे दोनों रंगों की स्थिति में हो सकती है। राउटर का काम कार को लाल बत्ती और हरी बत्ती दोनों से गुजरने देना है, कार को एक साथ दोनों सड़कों पर भेजना, लेकिन इस तरह से कि कार की पहचान बरकरार रहे। शोधकर्ताओं ने इस राउटर का निर्माण चार सुपरकंडक्टिंग सर्किट वाले एक छोटे चिप के माध्यम से किया, जो कृत्रिम परमाणुओं के रूप में कार्य करते हैं। इन सर्किटों को पूर्ण शून्य (absolute zero) के करीब तापमान तक ठंडा किया जाता है ताकि हस्तक्षेप को कम किया जा सके। चिप में एक इनपुट क्यूबिट शामिल है, जहाँ सूचना प्रवेश करती है, दो आउटपुट क्यूबिट हैं, जहाँ से सूचना बाहर निकल सकती है, और एक स्विच क्यूबिट है, जो एक क्वांटम पते के रूप में कार्य करता है।

प्रयोग का मूल इन सर्किटों के बीच एक विशिष्ट अंतःक्रिया (interaction) पर आधारित है। शोधकर्ताओं ने चिप को इस तरह से डिज़ाइन किया है कि इनपुट और स्विच क्यूबिट्स के बीच एक मजबूत, स्वाभाविक संबंध होता है जो स्विच की स्थिति के आधार पर उनके व्यवहार को बदल देता है। जब स्विच एक स्थिति में होता है, तो यह सूचना को पहले आउटपुट की ओर प्रवाहित होने देता है; जब यह दूसरी स्थिति में होता है, तो यह सूचना को दूसरे आउटपुट की ओर निर्देशित करता है। उनके डिज़ाइन की प्रतिभा यह है कि यदि स्विच दोनों अवस्थाओं के सुपरपोजिशन में है, तो राउटर स्वाभाविक रूप से सूचना को दोनों आउटपुट के सुपरपोजिशन में निर्देशित करता है। यह बिना किसी बाहरी निर्देश या प्रक्रिया के दौरान जटिल वायरिंग परिवर्तनों की आवश्यकता के होता है। यह उपकरण एक विशिष्ट प्रकार के गेट का उपयोग करता है, एक 'कंट्रोल्ड स्वैप' (controlled swap), जो एक टर्नस्टाइल (turnstile) की तरह कार्य करता है जो केवल तभी खुलता है जब स्विच सही स्थिति में हो। इन दो टर्नस्टाइल्स को एक साथ जोड़कर, उन्होंने एक पूर्ण रूटिंग प्रोटोकॉल बनाया। टीम ने इन गेटों को सक्रिय करने के लिए उपयोग किए जाने वाले माइक्रोवेव ऊर्जा के स्पंदों (pulses) को सावधानीपूर्वक कैलिब्रेट किया, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि सूचना इससे पहले कि वह खराब हो जाए, तेजी से और सटीक रूप से आगे बढ़े।

प्रयोग के परिणामों को उच्च सटीकता के साथ मापा गया। शोधकर्ताओं ने पाया कि राउटर ने क्वांटम सूचना को औसतन लगभग 95.3% बार सही गंतव्य तक सफलतापूर्वक निर्देशित किया। सटीकता का यह स्तर एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर है, क्योंकि यह प्रदर्शित करता है कि उपकरण नियतात्मक (deterministically) रूप से कार्य करता है, जिसका अर्थ है कि यह हर बार सही परिणाम देता है, न कि केवल संयोग पर निर्भर करता है। टीम ने उन त्रुटियों का विश्लेषण किया जिन्होंने पूर्ण सटीकता को रोका और पाया कि वे मुख्य रूप से समय के साथ क्वांटम अवस्थाओं के प्राकृतिक क्षय और अवस्थाओं को तैयार करने या मापने में छोटी खामियों के कारण थे। उन्होंने पुष्टि की कि उपकरण अपने रूटिंग के तर्क में किसी दोष के कारण विफल नहीं हो रहा था। विभिन्न शास्त्रीय और क्वांटम इनपुट और पतों के संयोजनों के साथ राउटर का परीक्षण करके, उन्होंने दिखाया कि यह रूटिंग के सबसे सामान्य रूप को संभाल सकता है, जहाँ संदेश और दिशा दोनों ही क्वांटम हैं। यह क्षमता क्वांटम रैंडम एक्सेस मेमोरी बनाने के लिए आवश्यक है, एक ऐसी तकनीक जो क्वांटम कंप्यूटरों को डेटा को एक बड़े मेमोरी बैंक से उतनी ही तेज़ी से पुनः प्राप्त करने की अनुमति देगी जितनी तेज़ी से वे उसे प्रोसेस कर सकते हैं, एक ऐसी विशेषता जो खोज और सिमुलेशन के जटिल एल्गोरिदम को गति दे सकती है।

शोधकर्ताओं ने अपने उपकरण की सीमाओं का भी पता लगाया और सुधार के स्पष्ट मार्ग की पहचान की। उन्होंने नोट किया कि रूटिंग की गति वर्तमान में इस बात से सीमित है कि क्यूबिट्स आपस में कितनी मजबूती से अंतःक्रिया करते हैं, और क्यूबिट्स के जीवनकाल में सुधार करने या इन अंतःक्रियाओं को मजबूत बनाने से प्रदर्शन को और बढ़ाया जा सकता है। उन्होंने यह भी सुझाव दिया कि विफल प्रयासों का पता लगाने और उन्हें हटाने की एक विधि, जिसे इरेज़र स्कीम (erasure scheme) कहा जाता है, जोड़ने से सिस्टम की विश्वसनीयता काफी बढ़ सकती है। हालाँकि वर्तमान उपकरण एक 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' है, इसकी सफलता बताती है कि ऐसे राउटर बड़े क्वांटम नेटवर्क के लिए बिल्डिंग ब्लॉक्स के रूप में कार्य कर सकते हैं। क्वांटम पते के आधार पर क्वांटम सूचना को रूट करने की क्षमता एक कार्यात्मक क्वांटम इंटरनेट को साकार करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है, जहाँ सूचना को उसी लचीलेपन और शक्ति के साथ विशाल दूरियों तक प्रसारित और संसाधित किया जा सकता है जो आज के क्लासिकल इंटरनेट को परिभाषित करती है। यह कार्य क्षेत्र को सैद्धांतिक प्रस्तावों से एक मूर्त, कार्यशील घटक की ओर ले जाता है, जो क्वांटम नेटवर्क की दृष्टि को वास्तविकता के एक कदम और करीब लाता है।