Any gate of a quantum computer can be certified device-independently
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि कई स्वतंत्र स्रोतों वाले क्वांटम नेटवर्क के ढांचे का उपयोग करके किसी भी क्वांटम यूनिटरी गेट का डिवाइस-इंडिपेंडेंटली सेल्फ-टेस्ट किया जा सकता है, जो आंतरिक संरचनात्मक धारणाओं पर निर्भर किए बिना क्वांटम ऑपरेशन्स को सत्यापित करने के लिए एक मौलिक विधि प्रदान करता है।
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क्वांटम भौतिकी की दुनिया में, मशीनें उन समस्याओं को हल करने का वादा करती हैं जिन्हें हल करने में पारंपरिक कंप्यूटरों को सहस्राब्दियों लग सकते हैं, और यह सब किसी भी जासूस (eavesdropper) से संचार को सुरक्षित रखते हुए करती हैं। फिर भी, इससे पहले कि इन मशीनों को ऐसे महत्वपूर्ण कार्यों के लिए भरोसेमंद बनाया जा सके, वैज्ञानिकों को यह सुनिश्चित करना होगा कि उपकरण बिल्कुल उसी तरह व्यवहार कर रहे हैं जैसा कि इरादा है। चुनौती सत्यापन (verification) में निहित है: आप एक जटिल मशीन के आंतरिक कामकाज की पुष्टि कैसे कर सकते हैं, बिना उसे खोलने के या निर्माता के शब्दों पर भरोसा किए? दशकों तक, इसका उत्तर "डिवाइस-इंडिपेंडेंट" (उपकरण-स्वतंत्र) प्रमाणन पर निर्भर रहा है। यह दृष्टिकोण मशीन को एक 'ब्लैक बॉक्स' के रूप में मानता है, जो केवल इसके आउटपुट के पैटर्न का विश्लेषण करके इसकी ईमानदारी को सत्यापित करता है। इस पद्धति की कुंजी 'नॉनलोकैलिटी' (nonlocality) नामक एक घटना है, जहाँ कण दूरियों के बावजूद रहस्यमय रूप से जुड़े रहते हैं, जिससे ऐसे सहसंबंध (correlations) उत्पन्न होते हैं जिन्हें शास्त्रीय भौतिकी (classical physics) के साथ समझाना असंभव है। जबकि वैज्ञानिक कणों की अवस्थाओं और उनके ऊपर लिए गए मापों को सत्यापित करने के लिए इन सांख्यिकीय पैटर्नों का उपयोग करने में काफी कुशल हो गए हैं, उन वास्तविक ऑपरेशनों को सत्यापित करना जो उन कणों को रूपांतरित करते हैं—वे "गेट्स" (gates) जो गणना को संचालित करते हैं—एक कठिन समस्या बनी हुई है।
एक शोधकर्ता ने अब एक महत्वपूर्ण कदम आगे बढ़ाया है, जिसमें उन्होंने यह प्रदर्शित किया है कि बिना आंतरिक संरचना जाने किसी भी क्वांटम गेट को सत्यापित करने का तरीका संभव है। अपने कार्य में, वे दिखाते हैं कि यह पुष्टि करना संभव है कि एक विशिष्ट क्वांटम ऑपरेशन ठीक उसी तरह प्रदर्शन कर रहा है जैसा कि डिज़ाइन किया गया है, केवल उस डेटा का उपयोग करके जो यह उत्पन्न करता है। यह एक महत्वपूर्ण विकास है क्योंकि क्वांटम गणना का प्रत्येक चरण अनिवार्य रूप से एक गेट है, एक 'यूनिटरी ट्रांसफॉर्मेशन' (unitary transformation) जो सिस्टम की अवस्था को बदल देता है। यदि ये गेट दोषपूर्ण या दुर्भावनापूर्ण रूप से बदले गए हैं, तो पूरी गणना विफल हो जाएगी। पारंपरिक रूप से, इन घटकों को सत्यापित करने के लिए हार्डवेयर के विस्तृत मॉडल और इस बारे में धारणाओं की आवश्यकता होती थी कि कण आपस में कैसे क्रिया करते हैं। नई पद्धति इन धारणाओं की आवश्यकता को समाप्त करती है, जो प्रायोगिक डेटा से सीधे इन गेट्स को प्रमाणित करने का एक तरीका प्रदान करती है।
इसे प्राप्त करने के लिए, शोधकर्ता ने स्वतंत्र स्रोतों और पर्यवेक्षकों का एक विशिष्ट नेटवर्क डिजाइन किया। स्वतंत्र स्रोतों से साझा क्वांटम सिस्टम के हिस्से प्राप्त करने वाले कई पक्षों के साथ एक सेटअप की कल्पना करें। इस नेटवर्क के केंद्र में एक पक्ष (party) बैठा है जो या तो आने वाली क्वांटम अवस्थाओं को वैसे ही रहने दे सकता है या उन पर एक रूपांतरण लागू कर सकता है। यह रूपांतरण वही 'गेट' है जिसका परीक्षण किया जा रहा है। दूसरी ओर, एक अन्य पक्ष परिणामी अवस्थाओं पर अंतिम माप करता है। शोधकर्ता ने पहले एक ऐसी स्थिति का अन्वेषण किया जहाँ उन्होंने यह माना कि गेट उस मौलिक "स्थान" (space) को नहीं बदलता जिसमें क्वांटम अवस्थाएँ रहती हैं। इस सरल मामले में, उन्होंने दिखाया कि सभी पक्षों के इनपुट और आउटपुट के बीच विशिष्ट सांख्यिकीय सहसंबंधों को देखकर, वे गणितीय रूप से सिद्ध कर सकते थे कि गेट वास्तव में वही विशिष्ट ऑपरेशन कर रहा था जिसका वह दावा करता था। यह प्रमाण इस तथ्य पर आधारित था कि देखे गए पैटर्न उत्पन्न करने का एकमात्र तरीका यही था कि गेट ठीक एक संदर्भ ऑपरेशन (reference operation) के रूप में कार्य कर रहा था, केवल परिप्रेक्ष्य के एक हानिरहित परिवर्तन तक।
हालाँकि, वास्तविक दुनिया के क्वांटम गेट उस स्थान को बदल सकते हैं जिसमें वे कार्य करते हैं, जो सरल सत्यापन पद्धति को तोड़ देगा। इसे हल करने के लिए, टीम ने एक क्वांटм रिपीटर (quantum repeater) को शामिल करते हुए एक अधिक जटिल व्यवस्था पेश की। रूपांतरित अवस्थाओं को अंतिम पर्यवेक्षक को सीधे भेजने के बजाय, केंद्रीय पक्ष उन्हें एक रिपीटर के माध्यम से भेजता है जो एक संयुक्त माप (joint measurement) करता है, जो प्रभावी रूप से अवस्था को अंतिम पर्यवेक्षक तक टेलीपोर्ट कर देता है। यह अतिरिक्त परत यह सुनिश्चित करती है कि अंतिम माप वैध बना रहे, भले ही गेट ने अंतर्निहित स्थान को बदल दिया हो। इस विस्तारित नेटवर्क में इनपुट और आउटपुट को सावधानीपूर्वक समन्वित करके, शोधकर्ता ने प्रदर्शित किया कि वे अभी भी गेट की विशिष्ट पहचान कर सकते हैं। उन्होंने सिद्ध किया कि यदि देखे गए सांख्यिकी एक विशिष्ट सैद्धांतिक अधिकतम (theoretical maximum) से मेल खाते हैं, तो गेट इच्छित ऑपरेशन ही होगा, चाहे उसके आंतरिक विवरण या उपयोग किए जाने वाले विशिष्ट भौतिक माध्यम कुछ भी हों।
शोधकर्ता इस उपलब्धि को एक 'प्रूफ-ऑफ-प्रिंसिपल' (सिद्धांत का प्रमाण) के रूप में वर्णित करते हैं, जिसका अर्थ है कि यह स्थापित करता है कि विधि सिद्धांत में और आदर्श स्थितियों में काम करती है। वे स्वीकार करते हैं कि वास्तविक दुनिया के प्रयोगों में शोर (noise) या पूर्ण सांख्यिकी से मामूली विचलन जैसी कमियाँ अनिवार्य रूप से होंगी, और उन्होंने अभी तक यह निर्धारित नहीं किया है कि उनकी विधि व्यावहारिक त्रुटियों के विरुद्ध कितनी सुदृढ़ है। इसके अलावा, वर्तमान डिज़ाइन के लिए अत्यधिक एंटेंगल्ड (entangled) अवस्थाओं और जटिल मापों की आवश्यकता होती है जो वर्तमान तकनीक के साथ बनाना कठिन है। इन बाधाओं के बावजूद, यह कार्य एक मौलिक ब्लूप्रिंट प्रदान करता है। यह सुरक्षित और विश्वसनीय क्वांटम प्रोसेसर बनाने की दिशा में एक मार्ग प्रदान करता है जहाँ हार्डवेयर को निर्माता पर भरोसा किए बिना सत्यापित किया जा सकता है। यह दिखाकर कि किसी भी क्वांटम गेट को शुद्ध डेटा से प्रमाणित किया जा सकता है, यह अध्ययन क्वांटम सत्यापन के एक नए युग की नींव रखता है, जहाँ क्वांटम कंप्यूटर की विश्वसनीयता उसके निर्माण में विश्वास के बजाय भौतिकी के नियमों द्वारा गारंटीकृत होती है।
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