Running Quantum Computers in Discovery Mode
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि एक हाइब्रिड क्वांटम-क्लासिकल लर्निंग एजेंट एक 36-क्यूबिट सुपरकंडक्टिंग प्रोसेसर पर एक "इंटरेस्ट फंक्शन" (रुचि फलन) को अनुकूलित करके, डिस्क्रीट टाइम क्रिस्टल्स और डुअल-यूनिटरी सर्किट्स जैसे महत्वपूर्ण मेनी-बॉडी क्वांटम परिघटनाओं की स्वायत्त रूप से खोज कर सकता है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
एक विशाल, अंधेरे पुस्तकालय की कल्पना करें जहाँ हर किताब में एक गुप्त नुस्खा है कि ब्रह्मांड अपने सबसे सूक्ष्म स्तरों पर कैसे व्यवहार करता है। दशकों से, वैज्ञानिक इन नुस्खों को हाथ से लिखने की कोशिश कर रहे हैं, सामग्री का अनुमान लगा रहे हैं और उम्मीद कर रहे हैं कि व्यंजन सही बने। यह क्वांटम भौतिकी की दुनिया है, एक ऐसा क्षेत्र जहाँ कण एक ही समय में दो स्थानों पर हो सकते हैं और जहाँ रोजमर्रा की जिंदगी के नियम लुप्त होते प्रतीत होते हैं। इन नुस्खों में "सामग्री" को क्वांटम सर्किट कहा जाता है—निर्देशों के जटिल अनुक्रम जो क्वांटम बिट्स (या क्यूबिट्स) को नृत्य करने का तरीका बताते हैं। लक्ष्य ऐसे विशिष्ट नृत्य खोजना है जो पदार्थ की नई, अजीब और उपयोगी अवस्थाएँ बना सकें, जैसे कि टाइम क्रिस्टल या अति-तेज अराजक (chaotic) सिस्टम। लेकिन इतने सारे संभावित नृत्यों के साथ (ब्रह्मांड में मौजूद परमाणुओं से भी अधिक), एक-एक करके अनुमान लगाना समुद्र तट पर रेत के एक विशिष्ट कण को खोजने जैसा है। यह बहुत धीमा है, और हम पूरी जादुई चीज़ को पूरी तरह से मिस कर सकते हैं।
यहीं पर "डिस्कवरी मोड" (खोज मोड) का विचार आता है। एक इंसान द्वारा नुस्खे का अनुमान लगाने के बजाय, कल्पना करें कि आप एक रोबोट शेफ को एक टेस्टर दे रहे हैं जो तुरंत बता सकता है कि कोई व्यंजन "दिलचस्प" है या नहीं। रोबोट नुस्खे में बदलाव करता है, फिर से स्वाद लेता है, और फिर से बदलाव करता है, यह सीखते हुए कि क्या चीज़ किसी व्यंजन को खास बनाती है, बिना यह जाने कि उस व्यंजन का नाम क्या है। यह शोध पत्र ठीक यही तलाशता है: क्वांटम कंप्यूटरों का उपयोग केवल उन समस्याओं को हल करने के लिए नहीं जिन्हें हम पहले से जानते हैं, बल्कि उन चीजों की खोज करने के लिए करने का एक नया तरीका जिन्हें हमने अभी तक सोचा भी नहीं है। शोधकर्ता एक क्वांटम कंप्यूटर (जो क्वांटम नृत्य का अनुकरण करने का भारी काम करता है) और एक क्लासिकल कंप्यूटर (जो एक स्मार्ट, सीखने वाले रोबोट के रूप में कार्य करता है) के बीच एक साझेदारी का प्रस्ताव देते हैं। वे मिलकर एक विशेष "इंटरेस्ट फंक्शन" (रुचि फलन) का उपयोग करते हैं—एक स्कोर जो सिस्टम को बताता है कि परिणाम कितना शानदार या असामान्य है—ताकि क्वांटम कंप्यूटर को नई भौतिकी की खोज की ओर निर्देशित किया जा सके।
महान क्वांटम खजाना खोज (The Great Quantum Treasure Hunt)
इस शोध पत्र के लेखक, ऑक्सफोर्ड और भारत की एक टीम, क्वांटम कंप्यूटरों का उपयोग करने का एक क्रांतिकारी नया तरीका प्रस्तावित कर रहे हैं। वे इसे "डिस्कवरी मोड" कहते हैं। इसे ऐसे समझें: आमतौर पर, जब हम क्वांट-कंप्यूटर का उपयोग करते हैं, तो हम उसे कहते हैं, "यह एक विशिष्ट समस्या है, कृपया इसे हल करें।" लेकिन डिस्कवरी मोड में, हम कंप्यूटर को कहते हैं, "यहाँ 'शानदार' दिखने का एक अस्पष्ट विचार है; जाओ इसे अपने आप खोजो।"
इसे करने के लिए, उन्होंने दो प्रकार के कंप्यूटरों के बीच एक फीडबैक लूप स्थापित किया है। क्वांटटम कंप्यूटर अन्वेषक (explorer) है। यह एक विशिष्ट क्वांटम सर्किट (संचालनों का एक क्रम) चलाता है और कणों के व्यवहार के बारे में भारी मात्रा में डेटा उत्पन्न करता है। क्लासिकल कंप्यूटर जासूस (detective) है। यह डेटा को देखता है, "इंटरेस्ट फंक्शन" नामक एक स्कोर की गणना करता है, और फिर क्वांटम कंप्यूटर को अपने सेटिंग्स को कैसे टवीक (बदलना) करना है, यह बताता है ताकि उच्च स्कोर प्राप्त किया जा सके। लक्ष्य किसी गणितीय समीकरण को हल करना नहीं है; बल्कि एक ऐसा सर्किट खोजना है जो एक ऐसा परिणाम दे जो सांख्यिकीय रूप से "दिलचस्प" या असामान्य हो।
शोधकर्ताओं ने इस विचार का परीक्षण दो अलग-अलग "इंटरेस्ट फंक्शन्स" के साथ किया है, जो "शानदार" होने की अलग-अलग परिभाषाएँ हैं।
1. क्लस्टरिंग डिटेक्टिव: टाइम क्रिस्टल्स की खोज
"दिलचस्प" की पहली परिभाषा क्लस्टरिंग पर आधारित है। कल्पना कीजिए कि आपके पास एक गेंद के उछलने का एक लंबा वीडियो है। यदि गेंद बेतरतीब ढंग से उछलती है, तो पैटर्न उबाऊ और अनुमान लगाने में कठिन होता है। लेकिन यदि गेंद एक पूर्ण, दोहराव वाले लय में उछलती है जो ऊर्जा हानि के सामान्य नियमों को चुनौती देती है, तो वह विशेष है।
क्वांटम दुनिया में, शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर से क्वांटम अवस्थाओं (समय के साथ क्वांटमान सिस्टम के स्नैपशॉट) के एक अनुक्रम को देखने और यह देखने के लिए कहा कि क्या उन्हें दो अलग-अलग समूहों में आसानी से वर्गीकृत किया जा सकता है। यदि अवस्थाएँ आपस में उलझी हुई हैं, तो "इंटरेस्ट स्कोर" कम है। यदि अवस्थाएँ स्वाभाविक रूप से दो स्पष्ट, अलग-अलग क्लस्टरों में गिरती हैं, तो स्कोर अधिक है।
उन्होंने इसका परीक्षण 36 क्यूबिट्स तक के वास्तविक क्वांटम प्रोसेसर पर किया। कंप्यूटर को एक सर्किट दिया गया था जिसमें ऐसे नॉब्स (knobs) थे जिन्हें वह घुमा सकता था (जैसे चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति जैसे पैरामीटर)। क्लासिकल एजेंट ने क्लस्टरिंग स्कोर को अधिकतम करने के लिए लगातार नॉब्स घुमाए। परिणाम क्या रहा? कंप्यूटर ने लगभग स्वचालित रूप से एक डिस्क्रीट टाइम क्रिस्टल (DTC) की खोज की।
एक DTC पदार्थ की एक अजीब अवस्था है जो समय में दोलन (oscillate) करती है, जैसे कि एक घड़ी जो उस बल की आधी गति से टिक-टिक करती है जो उसे धकेलता है। यह पदार्थ की एक ऐसी अवस्था है जिसकी केवल कुछ साल पहले सैद्धांतिक रूप से भविष्यवाणी की गई थी। अद्भुत बात यह है कि कंप्यूटर नहीं जानता था कि DTC क्या है। वह बस इतना जानता था कि "क्लस्टरिंग" स्कोर तब उच्चतम होता है जब सिस्टम एक DTC की तरह व्यवहार करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि कंप्यूटर ने सर्किट को सफलतापूर्वक ट्यून किया जिससे उच्च संभावना के साथ ये टाइम क्रिस्टल बन सके, जिससे यह सिद्ध हुआ कि यह "डिस्कवरी मोड" वास्तविक, शोर वाले हार्डवेयर पर काम करता है।
2. केओस हंटर: ड्यूल-यूनिटरी सर्किट्स की खोज
दूसरा "दिलचस्प" का अर्थ अराजकता (chaos) के बारे में था। भौतिकी में, कुछ सिस्टम बहुत पूर्वानुमानित होते हैं (जैसे एक पेंडुलम), और कुछ इतने अराजक होते हैं कि वे रैंडम शोर की तरह दिखते हैं। लेकिन अराजकता का एक विशेष, दुर्लभ प्रकार है जिसे "ड्यूल-यूनिटरी" कहा जाता है जहाँ सिस्टम अधिकतम अराजक होता है लेकिन फिर भी सख्त, सुंदर गणितीय नियमों का पालन करता है।
इसे खोजने के लिए, शोधकर्ताओं ने स्पेक्ट्रल गुणों (spectral properties) पर आधारित एक अलग इंटरेस्ट फंक्शन का उपयोग किया। कल्पना कीजिए कि सर्किट एक संगीत वाद्य यंत्र है। "स्पेक्ट्रम" उन सुरों का समूह है जो वह बजा सकता है। यदि सुर रैंडम हैं, तो संगीत शोर है। यदि सुर पूरी तरह से व्यवस्थित हैं, तो यह एक सरल धुन है। लेकिन "ड्यूल-यूनिटरी" सर्किट एक ऐसे सिम्फनी की तरह हैं जो अराजक सुनाई देते हैं लेकिन उनमें एक छिपी हुई, पूर्ण संरचना होती है।
शोधकर्ता इस विशिष्ट खोज को वास्तविक क्वांटम कंप्यूटर पर नहीं चला सके क्योंकि इसके लिए सटीक रूप से मापने के लिए बहुत अधिक डेटा की आवश्यकता थी। इसके बजाय, उन्होंने यह देखने के लिए एक क्लासिकल कंप्यूटर पर सिमुलेशन चलाया कि क्या "डिस्कवरी मोड" काम करेगा। उन्होंने एक आभासी क्वांटम कंप्यूटर बनाया और लर्निंग एजेंट को उस सर्किट की खोज करने दिया जो स्पेक्ट्रम में "शोर" को कम करता है।
सिमुलेशन ने सुझाव दिया कि एजेंट सर्किट को "ड्यूल-यूनिटरी" सेटिंग की ओर सफलतापूर्वक निर्देशित करेगा। खोज का परिदृश्य "कॉन्केव" (concave) था, जिसका अर्थ है कि शिखर (सबसे दिलचस्प सर्किट) तक पहुँचने का एक स्पष्ट रास्ता था। हालाँकि उन्होंने अभी तक इसे भौतिक रूप से चिप पर नहीं बनाया है, लेकिन गणित दृढ़ता से संकेत देता है कि यदि वे प्रयास करते, तो कंप्यूटर इन विशेष, अधिकतम अराजक सर्किट्स को खोज लेता।
यह क्यों महत्वपूर्ण है
बड़ी बात यह है कि हमें किसी चीज़ को खोजने के लिए यह जानने की ज़रूरत नहीं है कि हम वास्तव में क्या खोज रहे हैं। एक सरल नियम को परिभाषित करके कि "दिलचस्प" क्या है (जैसे, "क्या हम इन अवस्थाओं को वर्गीकृत कर सकते?" या "क्या अराजकता संरचित है?"), हम क्वांटम कंप्यूटरों और AI को नई भौतिकी के नियमों को उजागर करने के लिए मिलकर काम करने दे सकते हैं।
यह शोध पत्र दिखाता है कि यह दृष्टिकोण व्यवहार्य (feasible) है। उन्होंने साबित किया कि टाइम क्रिस्टल खोजने के लिए यह एक वास्तविक 36-क्यूबिट डिवाइस पर काम करता है, और उनके सिमुलेशन सुझाव देते हैं कि यह ड्यूल-यूनिटरी सर्किट्स खोजने के लिए भी काम करेगा। वे यह दावा नहीं कर रहे हैं कि उन्होंने सब कुछ खोज लिया है, लेकिन उन्होंने एक नया रास्ता दिखाया है। इंसानों द्वारा अगले बड़े आविष्कार का अनुमान लगाने के बजाय, हम एक ऐसा सिस्टम बना सकते हैं जो इसकी खोज करे, क्वांटम दुनिया के विशाल, अनछुए क्षेत्र का पता लगाने के लिए क्वांटम कंप्यूटर की अनूठी शक्ति का उपयोग करे। यह कंप्यूटर से हमारा होमवर्क करने के लिए कहने के बजाय, उससे यह पूछने में बदलाव है कि वह विज्ञान की पाठ्यपुस्तक का अगला अध्याय लिखने में हमारी मदद करे।
अपने क्षेत्र के पेपरों की भीड़ में उलझे हुए हैं?
आपके रिसर्च कीवर्ड से मेल खाने वाले सबसे नए और अलग सोच वाले पेपरों का रोज़ाना Digest पाएँ—तकनीकी सारांश के साथ, आपकी भाषा में।