Quantum register based on double quantum dots in semiconductor nanowires
यह शोध पत्र सेमीकंडक्टर नैनोवायरों में डबल क्वांटम डॉट्स का उपयोग करके कार्यान्वित एक स्केलेबल, सार्वभौमिक सॉलिड-स्टेट क्वांटम रजिस्टर का प्रस्ताव करता है, जहाँ इलेक्ट्रॉन स्पेस स्टेट्स में 0.5 फिलिंग फैक्टर के साथ एनकोडेड क्वबिट्स कूलम्ब इंटरैक्शन के माध्यम से लीनियर डायनेमिक्स और यूनिवर्सल लॉजिक गेट्स को सक्षम करते हैं, जिन्हें एकीकृत सर्किट के समान डिजिटल वोल्टेज पल्स द्वारा नियंत्रित किया जाता है।
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आज के सुपरकंप्यूटरों के लिए बहुत जटिल समस्याओं को हल करने वाली मशीन बनाने की खोज ने वैज्ञानिकों को क्वांटम दुनिया के विचित्र नियमों को तलाशने के लिए प्रेरित किया है। इस क्षेत्र में, सूचना सरल शून्य और एक के रूप में नहीं, बल्कि नाजुक अवस्थाओं के रूप में संग्रहीत होती है जो एक साथ कई विन्यासों में मौजूद हो सकती हैं। चुनौती हमेशा इन नाजुक अवस्थाओं को गणना करने के लिए पर्याप्त समय तक स्थिर रखने की रही है, क्योंकि पर्यावरण से होने वाला मामूली कंपन या विद्युत शोर भी सूचना को नष्ट कर सकता है। जबकि शोधकर्ताओं ने प्रकाश, फंसे हुए परमाणुओं या सुपरकंडक्टिंग सर्किट का उपयोग करके विभिन्न दृष्टिकोणों को आजमाया है, एक बड़ी बाधा बनी हुई है: इन प्रणालियों को हजारों क्यूबिट्स (क्वांटम सूचना की बुनियादी इकाइयाँ) तक कैसे बढ़ाया जाए, बिना एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप किए या त्रुटियों का शिकार हुए। आदर्श समाधान उन परिचित सिलिकॉन चिप्स जैसा दिखना चाहिए जो हमारे आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स को शक्ति देते हैं, जो बड़े पैमाने पर उत्पादन और एकीकरण का मार्ग प्रदान करते हैं, फिर भी इसे ठोस सामग्रियों में निहित अद्वितीय शोर की समस्याओं को दूर करना होगा।
रूस के भौतिकविदों की एक टीम ने ऐसे क्वांटम रजिस्टर के लिए एक नया डिज़ाइन प्रस्तावित किया है जो अविश्वसनीय रूप से पतले सिलिकॉन तारों के भीतर इलेक्ट्रॉनों की गति पर निर्भर करता है। इलेक्ट्रॉनों को निर्वात या सुपरकंडक्टिंग लूप में अलग करने के प्रयास के बजाय, वे इलेक्ट्रॉनों को दो नन्हे पॉकेटों में फंसाने का सुझाव देते हैं, जिन्हें 'डबल क्वांटम डॉट्स' कहा जाता है, जिन्हें सीधे एक सेमीकंडक्टर नैनोवायर में उकेरा गया है। ये पॉकेट भौतिक दीवारों द्वारा नहीं, बल्कि तार के ठीक ऊपर स्थित धातु के गेटों द्वारा उत्पन्न विद्युत क्षेत्रों द्वारा परिभाषित होते हैं, जो बिल्कुल एक ट्रांजिस्टर के नियंत्रणों की तरह हैं। शोधकर्ता एक ऐसी प्रणाली का वर्णन करते हैं जहाँ सूचना को पॉकेट के एक तरफ से दूसरी ओर इलेक्ट्रॉन को स्थानांतरित करके नहीं, बल्कि पॉकेट के भीतर इलेक्ट्रॉन के तरंग (वेव) के आकार को बदलकर एनकोड किया जाता है। यह सूक्ष्म अंतर महत्वपूर्ण है क्योंकि यह इलेक्ट्रॉन के आवेश को स्थिर रखता है, जिससे आसपास की धातु और इंसुलेटर के साथ गैर-रेखीय (नॉनलीनियर) अंतःक्रियाओं से बचा जा सके, जो आमतौर पर क्वांटम संचालन की सटीकता को कम करती हैं।
इस प्रस्ताव का मुख्य आधार दो 'डबल क्वांटम डॉट्स' से बना एक विशिष्ट प्रकार का क्यूबिट है जो एक साथ मिलकर काम करता है। इस व्यवस्था में, एक इलेक्ट्रॉन को दोनों डॉट्स के बीच इस तरह साझा किया जाता है कि किसी भी डॉट में उसके पाए जाने की संभावना ठीक एक-तिहाई (एक-हाफ) रहती है। यह स्थिर अवस्था सिस्टम को रैखिक (लीनियर) व्यवहार करने की अनुमति देती है, जो क्वांटम एल्गोरिदम में उपयोग किए जाने वाले गणितीय संचालन के लिए एक आवश्यकता है। शोधकर्ताओं का तर्क है कि यदि आवेश इधर-उधर घूमता, तो पर्यावरण के साथ इसकी अंतःक्रिया त्रुटियों को जन्म देती, लेकिन आवेश वितरण को स्थिर रखकर, सिस्टम मजबूत बना रहता है। गणना करने के लिए, टीम नियंत्रित इलेक्ट्रोडों पर लागू डिजिटल वोल्टेज पल्स का उपयोग करने का प्रस्ताव करती है। ये पल्स डॉट्स के ऊर्जा स्तरों को ट्यून कर सकते हैं, जिससे वे एक अनुनाद (रेजोनेंट) अवस्था में आ जाते जहाँ वे कूलम्ब बल (आवेशित कणों के बीच प्राकृतिक विद्युत प्रतिकर्षण) के माध्यम से अपने पड़ोसियों के साथ अंतःक्रिया कर सकते हैं।
जब दो आसन्न क्यूबिट्स को इस अनुनादी अवस्था में लाया जाता है, तो वे नियंत्रित तरीके से जानकारी का आदान-प्रदान कर सकते हैं या अपनी अवस्थाओं को बदल सकते हैं। पेपर विस्तार से बताता है कि कैसे इन अंतःक्रियाओं का उपयोग मौलिक लॉजिक ऑपरेशन्स, जैसे कि दो क्यूबिट्स की अवस्थाओं को बदलने या उनके बीच एक जटिल एंटैंगलमेंट (उलझाव) बनाने के लिए किया जा सकता है। ये ऑपरेशन्स सार्वभौमिक (यूनिवर्सल) हैं, जिसका अर्थ है कि उन्हें जोड़कर, सैद्धांतिक रूप से किसी भी क्वांटम एल्गोरिदम को निष्पादित किया जा सकता है। सिस्टम को इस तरह डिज़ाइन किया गया है कि जब वोल्टेज पल्स हटा दिए जाते हैं, तो क्यूबिट्स एक ऑफ-रेजोनेंट अवस्था में वापस आ जाते हैं जहाँ वे अंतःक्रिया नहीं करते हैं, जिससे सूचना को भंडारण के लिए वहीं फ्रीज कर दिया जाता है। सरल वोल्टेज परिवर्तनों के साथ अंतःक्रियाओं को चालू और बंद करने की यह क्षमता शास्त्रीय डिजिटल सर्किट के कार्य करने के तरीके की नकल करती है, जो मौजूदा सिलिकॉन निर्माण तकनीक के साथ क्वांटम कंप्यूटिंग को एकीकृत करने का मार्ग सुझाती है।
सिलिकॉन सामग्री में यादृच्छिक विद्युत आवेशों से होने वाले अपरिहार्य शोर को संबोधित करने के लिए, लेखक एक 'एन्सेम्बल रजिस्टर' बनाने का प्रस्ताव करते हैं। केवल एक नैनोवायर पर निर्भर रहने के बजाय, वे सैकड़ों या हजारों तारों के एक सरणी (एरे) को अगल-बगल बनाने का सुझाव देते हैं, जो नियंत्रण के लिए इलेक्ट्रोड्स के एक ही सेट द्वारा नियंत्रित होते हैं। चूंकि तार एक-दूसरे के बहुत करीब हैं, इसलिए एक तार को प्रभावित करने वाला यादृच्छिक शोर दूसरों द्वारा औसत (एवरेज) निकाल दिया जाएगा, जिससे पूरा समूह एक एकल अलग क्यूबिट की तुलना में त्रुटियों के प्रति बहुत अधिक प्रतिरोधी हो जाता है। यह सामूहिक दृष्टिकोण परिणामों को पढ़ने के अंतिम चरण को भी सरल बनाता है। एक एकल इलेक्ट्रॉन की अवस्था को मापने के बजाय, जो कठिन है, सिस्टम क्वांटम सूचना को वापस चार्ज अवस्थाओं में डिकोड करता है और फिर पूरी सरणी के माध्यम से बहने वाली विद्युत धारा को मापता है। यदि कोई विशिष्ट डॉट भरा हुआ है, तो वह धारा को रोकता है; यदि वह खाली है, तो धारा प्रवाहित होती है। यह मैक्रोस्कोपिक माप गणना के परिणाम का एक स्पष्ट संकेत प्रदान करता है।
शोधकर्ता अपने डिज़ाइन का समर्थन वर्तमान सिलिकॉन तकनीक क्षमताओं पर आधारित विस्तृत सिमुलेशन और अनुमानों से करते हैं। वे गणना करते हैं कि 5 नैनोमीटर के तार व्यास और 10 नैनोमीटर के गेट पृथक्करण के साथ, सिस्टम लगभग 4 केल्विन के तापमान पर संचालित हो सकता है। परस्पर क्रिया करने वाले डॉट्स के बीच की दूरी अपेक्षाकृत बड़ी, लगभग 200 नैनोमीटर हो सकती है, जो निर्माण प्रक्रिया को सरल बनाती है और नियंत्रण गेटों के बीच अवांछित इलेक्ट्रिकल क्रॉसटॉक को कम करती है। हालांकि पेपर स्वीकार करता है कि यादृच्छिक आवेश अभी भी एक महत्वपूर्ण चुनौती बने हुए हैं, डॉट्स के भीतर मजबूत टनलिंग कपलिंग और एन्सेम्बल डिज़ाइन के औसत प्रभाव का संयोजन एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है। यह कार्य यह दावा नहीं करता है कि उन्होंने अभी तक एक कामकाजी क्वांटम कंप्यूटर बनाया है, बल्कि यह एक ठोस, स्केलेबल ब्लूप्रिंट प्रदान करता है कि कैसे ऐसे उपकरण का निर्माण उद्योग में पहले से उपलब्ध उन्नत सिलिकॉन फैब्रिकेशन तकनीकों का उपयोग करके किया जा सकता है।
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