An Overview of Josephson Junctions Based QPUs

कल्पना कीजिए कि आप एक ऐसे विशाल पहेली को सुलझाने की कोशिश कर रहे हैं जिसे हल करने के लिए एक सुपरकंप्यूटर को ब्रह्मांड की आयु से भी अधिक समय लगेगा। यह उस तरह की समस्या है जो वैज्ञानिकों को रात भर जगाए रखती है: अटूट कोड को तोड़ना, अणुओं का अनुकरण करके नई दवाओं को डिजाइन करना, या वैश्विक शिपिंग मार्गों को अनुकूलित करना। दशकों से, हमारे सबसे अच्छे कंप्यूटर अविश्वसनीय रूप से तेज़ कैलकुलेटर की तरह रहे हैं, जो उन स्विचों को पलटते हैं जो या तो पूरी तरह से "चालू" (on) हैं या "बंद" (off)। लेकिन प्रकृति हमेशा उन सख्त नियमों का पालन नहीं करती है। सूक्ष्म स्तर पर, कण एक ही समय में दो स्थानों पर हो सकते हैं, या एक-दूसरे से इस तरह जुड़े हो सकते हैं कि एक को छूने से दूसरे पर तुरंत प्रभाव पड़ता है, चाहे वे कितनी भी दूर क्यों न हों। यह क्वांटम मैकेनिक्स की दुनिया है।

इस विचित्रता का लाभ उठाने के लिए, वैज्ञानिक विशेष मशीनें बना रहे हैं जिन्हें क्वांटम प्रोसेसिंग यूनिट्स (QPUs) कहा जाता है। इन्हें केवल तेज़ कैलकुलेटर के रूप में नहीं, बल्कि ऐसी मशीनों के रूप में सोचें जो एक साथ कई संभावित समाधानों को खोज सकती हैं, जैसे कि एक हाइकर जो जंगल में बाहर निकलने का रास्ता खोजने के लिए एक ही समय में हर रास्ते पर चल सकता है। हालाँकि, ये मशीनें अविश्वसनीय रूप से नाजुक होती हैं। गर्मी की हल्की सी आहट या एक भटकता हुआ चुंबकीय क्षेत्र भी उन्हें अपना "क्वांटम जादू" खोने के लिए मजबूर कर सकता है, जिससे एक सुपर-शक्तिशाली कैलकुलेटर वापस एक सामान्य, भ्रमित कैलकुलेटर में बदल जाता है। बड़ा सवाल वैज्ञानिक समुदाय के लिए यह है: क्या हम एक ऐसी मशीन बना सकते हैं जो वास्तव में इन असंभव पहेलियों को हल करने के लिए पर्याप्त बड़ी और स्थिर हो?

यह शोध पत्र वर्तमान में निर्मित सबसे लोकप्रिय प्रकार की क्वांटम मशीन का गहराई से विश्लेषण करता है: वह जो जोसेफसन जंक्शनों (Josephson Junctions) पर आधारित है। आप जोसेफसन जंक्शन को दो सुपरकंडक्टिंग द्वीपों के बीच एक छोटे, जादुई पुल के रूप में समझ सकते हैं। जब इलेक्ट्रॉन बिना किसी घर्षण के इस पुल के पार नृत्य करते हैं, तो वे एक विशेष प्रकार का विद्युत सर्किट बनाते हैं जो एक क्वांटम बिट, या "क्यूबिट" (qubit) के रूप में कार्य कर सकता है। लेखक ओमिद मोहेबी और अलीरेज़ा हेसम मोहसेनी, इस बारे में एक ताज़ा अपडेट प्रदान करते हैं कि ये मशीनें कैसे काम करती हैं, उन्हें किन विशाल इंजीनियरिंग बाधाओं का सामना करना पड़ता है, और हाल ही में हुई रोमांचक प्रगति क्या है। वे बताते हैं कि हालांकि हमने अंततः यह सिद्ध कर दिया है कि ये मशीनें अपनी गलतियों को खुद ठीक कर सकती हैं (एक महत्वपूर्ण चरण जिसे "एरर करेक्शन" या त्रुटि सुधार कहा जाता है), लेकिन इन कठिन समस्याओं को हल करने के लिए हमारे पास अभी भी एक लंबा रास्ता तय करना बाकी है।

जादुвई पुल और क्वांटम नृत्य

यह समझने के लिए कि ये मशीनें कैसे काम करती हैं, एक ट्रैम्पोलिन की कल्पना करें। एक सामान्य ट्रैम्पोलिन में, यदि आप उछलते हैं, तो आप नियमित अंतराल पर ऊपर और नीचे जाते हैं। लेकिन एक जोसेफसन जंक्शन एक अजीब, ऊबड़-खाबड़ सतह वाले ट्रैम्पोलिन की तरह है। "टनलिंग" नामक एक क्वांटम प्रभाव के कारण, कण ऊर्जा खोए बिना जंक्शन के इन्सुलेटिंग बैरियर के पार कूद सकते हैं। यह एक ऐसा सर्किट बनाता है जो केवल एक आवृत्ति (frequency) पर कंपन नहीं करता है; इसमें एक अद्वितीय "ऊबड़-खाबड़" ऊर्जा संरचना होती है। यह ऊबड़-खाबड़ संरचना महत्वपूर्ण है क्योंकि यह वैज्ञानिकों को केवल दो विशिष्ट ऊर्जा स्तरों को 0 और 1 के रूप में चुनने की अनुमति देती है, ताकि वे गलती से अन्य स्तरों तक न पहुँच जाएँ। यह एक गिटार के तार को ट्यून करने जैसा है ताकि आप अगले नोट तक पहुँचने के बजाय एक विशिष्ट स्वर बजा सकें।

शोध पत्र बताता है कि ये सर्किट सुपरकंडक्टर्स—ऐसे पदार्थ जो अंतरिक्ष से भी अधिक ठंडे तापमान (मिलीकेलविन) पर शून्य प्रतिरोध के साथ बिजली का संचालन करते हैं—से बने होते हैं। इसके अंदर, इलेक्ट्रॉन "कूपर पेयर्स" (Cooper pairs) में जुड़ जाते हैं, जो एक समन्वित टीम की तरह कार्य करते हैं जो बिना किसी घर्षण के बहते हैं। जब ये जोड़े जंक्शन के पार टनल करते हैं, तो वे एक सुपरकरंट (supercurrent) बनाते हैं। माइक्रोवेव पल्स (ऊर्जा के सूक्ष्म विस्फोटों) के माध्यम से इस करंट को नियंत्रित करके, वैज्ञानिक क्यूबिट को घुमाने, पलटने या सुपरपोजिशन में प्रवेश करने के लिए मजबूर कर सकते हैं, जो प्रभावी रूप से क्वांटम कंप्यूटर को प्रोग्राम करता है।

एक विशाल मशीन की बढ़ती मुश्किलें

एक एकल क्यूबिट बनाना एक बात है; लाखों क्यूबिटों वाला कंप्यूटर बनाना बिल्कुल अलग बात है। शोध पत्र तीन प्रमुख सिरदर्दों पर प्रकाश डालता है जिन्हें इंजीनियर हल करने की कोशिश कर रहे हैं:

1. शोर की समस्या (क्रॉसटॉक): कल्पना कीजिए कि आप एक भीड़ भरे कमरे में अपने दोस्त से बात करने की कोशिश कर रहे हैं। यदि आप बहुत ज़ोर से चिल्लाते हैं, तो आपकी आवाज़ गलती से आपके बगल वाले व्यक्ति तक पहुँच सकती है, जिससे उनकी बातचीत खराब हो सकती है। एक क्वांटम चिप में, जैसे-जैसे हम अधिक क्यूबिटों को एक-दूसरे के करीब पैक करते हैं, एक क्यूबिट के लिए लक्षित माइक्रोवेव सिग्नल उसके पड़ोसियों में "लीक" हो सकते हैं, जिससे त्रुटियां होती हैं। लेखक बताते हैं कि इंजीनियरों को अब चिप के लेआउट और सिग्नलों के समय को सावधानीपूर्वक डिजाइन करना पड़ रहा है ताकि सभी की "आवाज़ें" अलग रहें।
2. वायरिंग का दुःस्वप्न: वर्तमान में, प्रत्येक क्यूबिट को लैब के गर्म इलेक्ट्रॉनिक्स से लेकर कंप्यूटर की अत्यधिक ठंड तक जाने वाली अपनी स्वयं की केबल की आवश्यकता होती है। यदि आप दस लाख क्यूबिटों वाला कंप्यूटर बनाने की कोशिश करते हैं, तो आपको दस लाख केबलों की आवश्यकता होगी, जो कूलिंग सिस्टम को पिघला देंगी और एक इमारत से भी अधिक जगह घेर लेंगी। शोध पत्र नए विचारों पर चर्चा करता है, जैसे नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स को फ्रीजर के अंदर रखना (cryo-CMOS) या संकेतों को ले जाने के लिए प्रकाश (फोटोन) का उपयोग करना, ताकि इस भारी वायरिंग के बोझ को कम किया जा सके।
3. त्रुटि सुधार (Error Correction) की चुनौती: यह सबसे महत्वपूर्ण हिस्सा है। चूंकि क्यूबिट बहुत नाजुक होते हैं, इसलिए वे गलतियाँ करते हैं। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिक "एरर करेक्शन" का उपयोग करते हैं, जो एक वीआईपी (VIP) की रखवाली करने वाली गार्ड्स की टीम रखने जैसा है। एक एकल क्यूबिट द्वारा जानकारी रखने के बजाय, आप एक "लॉजिकल" क्यूबिट की रक्षा के लिए कई भौतिक क्यूबिटों का उपयोग करते हैं। शोध पत्र एक बड़ी उपलब्धि का जश्न मनाता है: 2024 और 2025 में, शोधकर्ताओं (विशेष रूप से गूगल क्वांटम एआई) ने प्रदर्शित किया कि कई भौतिक क्यूबिटों से बना एक लॉजिकल क्यूबिट वास्तव में व्यक्तिगत भौतिक भागों की तुलना में अधिक समय तक रह सकता है और कम गलतियाँ करता है। इसने सिद्ध कर दिया कि एरर करेक्शन का "जादू" वास्तविक जीवन में काम करता है।

अन्य दावेदारों के बीच दौड़

यह शोध पत्र केवल जोसेफसन जंक्शनों को अलग से नहीं देखता है; यह क्वांटम कंप्यूटर बनाने के अन्य तरीकों के साथ उनकी तुलना करता है।

• ट्रैप्ड आयन (Trapped Ions): ये चुंबकीय क्षेत्रों द्वारा नियंत्रित व्यक्तिगत परमाणुओं का उपयोग करते हैं। ये सटीकता के लिए "गोल्ड स्टैंडर्ड" की तरह हैं, जो बहुत लंबे समय तक अपनी स्थिति बनाए रखते हैं, लेकिन ये चलने में धीमे हैं और इन्हें बड़े पैमाने पर बनाना कठिन है।
• फोटोन (Photons): ये प्रकाश के कणों का उपयोग करते हैं। ये लंबी दूरी तक जानकारी भेजने के लिए बेहतरीन हैं लेकिन गणना करने के लिए एक-दूसरे के साथ परस्पर क्रिया करना इनके लिए बहुत कठिन है।
• न्यूट्रल एटम्स (Neutral Atoms): ये लेजर बीम में फंसे परमाणुओं का उपयोग करते हैं। एक नया दावेदार जिसने एक गंभीर प्रतिद्वंद्वी के रूप में उभर कर दिखाया है, वे चलते-फिरते पुनर्गठित किए जा सकते हैं और कमरे के तापमान पर काम कर सकते हैं, जिससे उन्हें स्केल करना आसान हो जाता है।

लेखक बताते हैं कि जबकि जोसेफसन जंक्शन वर्तमान में सबसे अधिक "औद्योगिक रूप से परिपक्व" हैं और उनकी गति सबसे तेज़ है, प्रतिस्पर्धा बढ़ती जा रही है। न्यूट्रल एटम्स ने विशेष रूप से हाल ही में दिखाया है कि वे एरर करेक्शन भी कर सकते हैं, जिससे उनके बीच का अंतर कम हो गया है।

हम आगे कहाँ जा रहे हैं?

शोध पत्र एक यथार्थवादी दृष्टिकोण के साथ समाप्त होता है। हालांकि एरर करेक्शन में हालिया सफलता एक बड़ी जीत है, लेकिन यह अंतिम रेखा नहीं है। लेखक गणना करते हैं कि आधुनिक एन्क्रिप्शन को तोड़ने या जटिल आणविक समस्याओं को हल करने के लिए, हमें त्रुटि दर (error rate) को कई और ऑर्डर्स ऑफ मैग्नीट्यूड सुधारने की आवश्यकता है। यह एक पहाड़ चढ़ने जैसा है जहाँ हमने अभी-अभी बेस कैंप तक पहुँचकर यह सिद्ध किया है कि रास्ता मौजूद है, लेकिन शिखर अभी भी बहुत दूर है।

आगे का रास्ता बेहतर सामग्री (materials) विकसित करने, त्रुटियों को कम क्यूबिटों के साथ ठीक करने के लिए स्मार्ट कोड बनाने और मशीन को पिघलाए बिना लाखों क्यूबिट को नियंत्रित करने के बेहतर तरीकों से जुड़ा है। लेखक सुझाव देते हैं कि विजेता कोई एकल तकनीक नहीं, बल्कि एक हाइब्रिड दृष्टिकोण हो सकता है जहाँ विभिन्न प्रकार के क्वांटम कंप्यूटर एक साथ मिलकर काम करेंगे। फिलहाल, जोसेफसन जंक्शन अग्रणी बने हुए हैं, लेकिन दौड़ पूरी तरह खुली है, और अगले कुछ वर्ष यह निर्धारित करेंगे कि कौन सा रास्ता पहले वास्तव में उपयोगी क्वांटम सुपरकंप्यूटर की ओर ले जाता है।