Order from chaos with adaptive circuits on quantum hardware
यह शोध पत्र एक 100-कुबिट IBM प्रोसेसर पर एडेप्टिव मॉनिटर्ड क्वांटम सर्किट के प्रयोगात्मक कार्यान्वयन को प्रदर्शित करता है, जहाँ स्थानीय मापन और फीडबैक का उपयोग क्वांटम अराजक गतिकी (क्वांटम केओटिक डायनेमिक्स) को नियंत्रित करने और एक गतिशील चरण संक्रमण (डायनेमिकल फेज ट्रांजिशन) को देखने के लिए किया जाता है, जो दोष-सहिष्णु क्वांटम कंप्यूटिंग की ओर एक महत्वपूर्ण कदम है।
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प्रकृति ऐसे तंत्रों से भरी हुई है जो नियंत्रण से बाहर होते हुए प्रतीत होते हैं। मौसम के पैटर्न तूफानों में बदल जाते हैं, मामूली देरी से ट्रैफिक जाम लग जाते हैं, और शिकारियों और शिकार की आबादी अप्रत्याशित चक्रों में ऊपर-नीचे होती रहती है। फिर भी इस स्पष्ट यादृच्छिकता के भीतर, अक्सर व्यवस्था (order) उभरती है। जेट स्ट्रीम विक्षोभ (turbulence) से संगठित होती है, और तंत्रिका गतिविधि मस्तिष्क की स्थिर लय में तालमेल बिठाती है। वैज्ञानिकों ने लंबे समय से यह जाना है कि इन अराजक प्रणालियों को करीब से देखकर और सूक्ष्म, सामयिक समायोजन करके, उन्हें एक स्थिर अवस्था में वापस लाया जा सकता है। अराजकता नियंत्रण (chaos control) के इस सिद्धांत ने लेजर को स्थिर करने और यहाँ तक कि अस्थिर गुरुत्वाकर्षण क्षेत्रों के माध्यम से अंतरिक्ष यान को निर्देशित करने में मदद की है। अब, शोधकर्ता यह पूछ रहे हैं कि क्या यही विचार क्वांटम यांत्रिकी की विचित्र, नाजुक दुनिया में काम कर सकता है, जहाँ कण एक साथ कई अवस्थाओं में मौजूद होते हैं और अपने परिवेश से आसानी से विचलित हो जाते हैं।
क्वांटम क्षेत्र में चुनौती अत्यधिक है। क्वांटम प्रणालियाँ अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील होती हैं; जरा सा शोर या त्रुटि उस नाजुक जानकारी को नष्ट कर सकती है जिसे वे धारण करती हैं। क्वांटम प्रणालियों को नियंत्रित करने के पारंपरिक तरीके अक्सर विफल हो जाते हैं क्योंकि मापने की क्रिया ही उनके व्यवहार को बदल देती है। हालाँकि, एक नया दृष्टिकोण उभरा है जो यादृच्छिक क्वांटम संचालन और निरंतर निगरानी के संयोजन का उपयोग करता है। एक क्वांटम प्रणाली के कुछ हिस्सों को मापकर और फिर उस जानकारी का उपयोग वास्तविक समय में अन्य हिस्सों को रीसेट या सुधारने के लिए करके, वैज्ञानिक एक फीडबैक लूप बना सकते हैं। यह प्रक्रिया, जिसे एडेप्टिव सर्किट (adaptive circuit) कहा जाता है, शोधकर्ताओं को एक क्वांटम प्रणाली को अराजकता से दूर और एक विशिष्ट, स्थिर अवस्था की ओर निर्देशित करने की अनुमति देती है, जो प्रभावी रूप से 'क्वांटम तूफान' को शांत करती है।
हाल ही में एक अध्ययन में, IBM और रटगर्स यूनिवर्सिटी के वैज्ञानिकों के नेतृत्व वाली एक टीम ने इस अवधारणा का बड़े पैमाने पर परीक्षण किया। उन्होंने एक सुपरकंडक्टिंग प्रोसेसर पर एक क्वांटम सर्किट बनाया जो बर्नुली मैप (Bernoulli map) नामक एक प्रसिद्ध गणितीय मॉडल की नकल करता है। अपने शास्त्रीय रूप में, यह मैप एक संख्या लेता है, उसे दोगुना करता है, और केवल उसके भिन्नात्मक भाग को रखता है, एक ऐसी प्रक्रिया जो किसी भी शुरुआती मान को तेजी से अराजकता में बदल देती है। शोधकर्ताओं ने इस मैप का एक क्वांटम संस्करण बनाया, जहाँ "स्कैम्बलिंग" (scrambling) यादृच्छिक क्वांटम गेट्स द्वारा की जाती है जो क्यूबिट्स की जानकारी को आपस में मिला देते हैं। इस अराजकता का मुकाबला करने के लिए, उन्होंने एक नियंत्रण तंत्र पेश किया: यादृच्छिक अंतराल पर, वे एक विशिष्ट क्यूबिट को मापेंगे और परिणाम के आधार पर, उसे एक ज्ञात शुरुआती अवस्था में रीसेट करेंगे। इसने स्कैम्बलिंग बलों (जो जानकारी को हर जगह फैलाने की कोशिश करते हैं) और नियंत्रण बलों (जो प्रणाली को एक एकल, व्यवस्थित अवस्था में बांधने की कोशिश करते हैं) के बीच एक प्रतिस्पर्धा पैदा की।
यह प्रयोग IBM क्वांटम प्रोसेसर का उपयोग करके एक सौ क्यूबिट तक के साथ किया गया था, जो पिछले प्रयासों से एक महत्वपूर्ण कदम है जो केवल कुछ दर्जन तक सीमित थे। शोधकर्ताओं ने सर्किट को हजारों चरणों के लिए चलाया, जिससे प्रणाली विकसित होकर एक स्थिर अवस्था तक पहुँच गई। इसके बाद उन्होंने देखा कि जब उन्होंने नियंत्रण मापन की आवृत्ति को समायोजित किया तो प्रणाली कैसे व्यवहार करती है। जब नियंत्रण कमजोर था, तो प्रणाली अराजक बनी रही, जिसमें जानकारी सभी क्यूबिट्स में एक जटिल, उलझी हुई (entangled) वेब के रूप में फैली हुई थी। जैसे-जैसे उन्होंने मापन और रीसेट की आवृत्ति बढ़ाई, प्रणाली अचानक बदल गई। यह इस अराजक, क्वांटम अवस्था से एक नियंत्रित, व्यवस्थित अवस्था में परिवर्तित हो गई जहाँ क्यूबिट एक अनुमानित पैटर्न में स्थिर हो गए। यह बदलाव, जिसे फेज़ ट्रांजिशन (phase transition) कहा जाता है, एक सटीक टिपिंग पॉइंट पर हुआ जहाँ नियंत्रण बलों ने अंततः अराजकता पर विजय प्राप्त की।
इस खोज को विशेष रूप से महत्वपूर्ण बनाने वाली बात यह थी कि इस संक्रमण को न केवल प्रणाली के औसत व्यवहार में, बल्कि व्यक्तिगत क्वांटम पथों के उतार-चढ़ाव में भी देखा जा सका। एक शास्त्रीय प्रणाली में, यदि आप एक ही प्रयोग को दो बार चलाते हैं, तो आपको समान परिणाम मिलता है। एक क्वांटम प्रणाली में, बिल्कुल समान सेटअप के साथ भी, मापन की यादृच्छिक प्रकृति का अर्थ है कि प्रत्येक रन एक थोड़ा अलग परिणाम देता है। शोधकर्ताओं ने इन अंतरों को मापा, जिन्हें क्वांटम उतार-चढ़ाव कहा जाता है, और पाया कि वे टिपिंग पॉइंट पर एक बहुत ही विशिष्ट तरीके से व्यवहार करते हैं। ये उतार-चढ़ाव सार्वभौमिक नियमों के अनुसार बढ़े और घटे जो सैद्धांतिक भविष्यवाणियों के साथ उच्च सटीकता के साथ मेल खाते थे। इसने पुष्टि की कि प्रणाली वास्तव में एक क्वांटम वस्तु के रूप में व्यवहार कर रही थी, जो क्वांटम यांत्रिकी के जटिल नियमों का पालन कर रही है, न कि केवल एक शोर वाले शास्त्रीय कंप्यूटर की तरह कार्य कर रही है।
अपने परिणामों को वास्तविक बनाने के लिए, टीम ने अपने प्रयोगात्मक डेटा की तुलना दो अलग-अलग प्रकार के कंप्यूटर सिमुलेशन के विरुद्ध की। एक सिमुलेशन ने प्रणाली को एक पूर्ण क्वांटम कंप्यूटर के रूप में मॉडल किया, जबकि दूसरे ने इसे एक शास्त्रीय कंप्यूटर के रूप में मॉडल किया जिसे उसकी सभी क्वांटम सुसंगतता (coherence) से मुक्त कर दिया गया था, जो अनिवार्य रूप से इसे एक शोर वाली, यादृच्छिक प्रक्रिया में बदल देता है। प्रयोगात्मक डेटा पूर्ण क्वांटम सिमुलेशन के साथ बहुत अधिक निकटता से मेल खाया, बजाय शास्त्रीय वाले के। इसने इस बात का पुख्ता प्रमाण दिया कि क्वांटम प्रोसेसर सफलतापूर्वक जटिल एडेप्टिव कंट्रोल कर रहा था, और निरंतर मापन और रीसेट होने के बावजूद अपनी क्वांटम प्रकृति बनाए रख रहा था। अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि अराजकता से व्यवस्था की ओर संक्रमण केवल प्रणाली की अवस्था में परिवर्तन नहीं था, बल्कि क्वांटम व्यवहार से प्रभावी रूप से शास्त्रीय व्यवहार की ओर एक मौलिक बदलाव था, जहाँ प्रणाली इतनी व्यवस्थित हो गई कि इसमें क्वांटम यांत्रिकी की विशिष्ट जटिल एंटैंगलमेंट (entanglement) नहीं रही।
यह कार्य क्वांटम प्रौद्योगिकी के विकास में एक प्रमुख मील का पत्थर है। बड़ी संख्या में क्यूबिट्स पर हजारों क्वांटम ऑपरेशन्स, जिनमें मापन और रीसेट शामिल हैं, को सफलतापूर्वक समन्वित करके, शोधकर्ताओं ने नियंत्रण का एक ऐसा स्तर प्रदर्शित किया जो भविष्य के दोष-सहिष्णु (fault-tolerant) क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए आवश्यक है। इन मशीनों को कार्य करने के लिए अपनी त्रुटियों की निरंतर निगरानी और सुधार करने की आवश्यकता होगी, और यह प्रयोग दिखाता है कि शोर की उपस्थिति में भी ऐसा एडेप्टिव कंट्रोल संभव है। इन संक्रमणों को वास्तविक क्वांटम हार्डवेयर में देखने और समझने की क्षमता वैज्ञानिकों को उन समस्याओं को हल करने के लिए क्वांटम यांत्रिकी की पूर्ण शक्ति का उपयोग करने के एक कदम करीब ले आती है जो वर्तमान में शास्त्रीय कंप्यूटरों के लिए असंभव हैं। यह अध्ययन सिद्ध करता है कि सही उपकरणों के साथ, सबसे अराजक क्वांटम प्रणालियों को भी व्यवस्था की स्थिति में निर्देशित किया जा सकता है, जो क्वांटम नियंत्रण के एक नए युग के द्वार खोलता है।
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