Gate Teleportation vs Circuit Cutting in Distributed Quantum Computing
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि जहाँ गेट टेलीपोर्टेशन वर्तमान में शोर वाले माइक्रोवेव-टू-ऑप्टिकल ट्रांसड्यूसर्स से चुनौतियों का सामना कर रहा है, वहीं ट्रांसड्यूसर के शोर में 10 गुना कमी इसे सर्किट कटिंग के घातीय सैंपलिंग ओवरहेड से बचने के लिए वितरित क्वांटम कंप्यूटिंग हेतु सर्किट कटिंग से बेहतर प्रदर्शन करने में सक्षम बनाएगी।
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क्वांटम कंप्यूटर उन समस्याओं को हल करने का वादा करते हैं जो वर्तमान में सबसे शक्तिशाली सुपरकंप्यूटरों के लिए भी असंभव हैं, जैसे कि नई दवाओं को डिजाइन करना या जटिल जलवायु प्रणालियों का मॉडल बनाना। हालाँकि, इन मशीनों को एक महत्वपूर्ण भौतिक बाधा का सामना करना पड़ता है: इन्हें बड़े पैमाने पर बनाना कठिन है। वर्तमान में, सबसे उन्नत प्रोसेसर केवल सीमित संख्या में क्वांटम बिट्स, या क्यूबिट्स (qubits) को ही रख सकते हैं, इससे पहले कि वे बहुत शोर वाले और अस्थिर हो जाएं और सही ढंग से कार्य करना बंद कर दें। एक ही मशीन में अधिक क्यूबिट्स डालने की कोशिश अक्सर हस्तक्षेप और त्रुटियों का कारण बनती है, ठीक वैसे ही जैसे एक छोटे कमरे में बहुत अधिक लोगों को फिट करने की कोशिश करने पर वे लगातार एक-दूसरे से टकराते हैं। इस बाधा को दूर करने के लिए, वैज्ञानिक कई छोटे क्वांटम प्रोसेसरों को एक साथ जोड़ने के तरीके तलाश रहे हैं, जिससे प्रभावी रूप से मशीनों का एक नेटवर्क बनता है जो एक इकाई के रूप में कार्य करता है। चुनौती यह है कि इन अलग-अलग मशीनों को आपस में कैसे जोड़ा जाए। दो मुख्य रणनीतियों का परीक्षण किया जा रहा है: एक जो परिणामों को बाद में जोड़ने के लिए क्लासिकल कंप्यूटरों पर निर्भर करती है, और दूसरी जो मशीनों को सीधे वास्तविक समय (real time) में जोड़ने के लिए क्वांटम भौतिकी के विचित्र गुणों का उपयोग करती है।
memQ Inc. और अर्नोन नेशनल लैबोरेटरी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह देखने के लिए इन दोनों दृष्टिकोणों की जांच की है कि निकट भविष्य के लिए कौन सा अधिक व्यावहारिक है। उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के क्वांटम कंप्यूटर पर ध्यान केंद्रित किया जो सुपरकंडक्टिंग सर्किट का उपयोग करता है, जो गहरे अंतरिक्ष से भी अधिक ठंडे तापमान पर संचालित होते हैं। इन मशीनों को जोड़ने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी प्रणाली का मॉडल तैयार किया जहाँ प्रोसेसर ऑप्टिकल फाइबर द्वारा जुड़े हुए हैं, जो हाई-स्पीड इंटरनेट के लिए उपयोग किए जाने वाले केबलों के समान हैं, लेकिन ये उन प्रकाश कणों को ले जाते हैं जो मशीनों के भीतर के क्यूबिट्स के साथ एंटेंगल्ड (entangled) होते हैं। यह एंटेंगमेंट प्रोसेसर को एक-दूसरे के डेटा पर तुरंत ऑपरेशन करने की अनुमति देता है, जिसे गेट टेलीपोर्टेशन (gate teleportation) कहा जाता है। वैकल्पिक विधि, जिसे सर्किट कटिंग (circuit cutting) कहा जाता है, एक बड़ी गणना को छोटे टुकड़ों में विभाजित करने, उन्हें अलग-अलग मशीनों पर चलाने और फिर अंतिम उत्तर को गणितीय रूप से पुनर्गठित करने के लिए क्लासिकल कंप्यूटर का उपयोग करने से संबंधित है। जबकि सर्किट कटिंग वर्तमान तकनीक के साथ संभव है, इसके लिए सटीक परिणाम प्राप्त करने के लिए अत्यधिक बार परीक्षण करने की आवश्यकता होती है, और जैसे-जैसे गणना अधिक जटिल होती जाती है, आवश्यक कार्य की मात्रा विस्फोटक रूप से बढ़ती जाती है।
शोधकर्ताओं ने इन दोनों विधियों की तुलना करने के लिए एक विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया, जिसमें उन्होंने कई मॉड्यूलों में एक विशिष्ट प्रकार की जटिल क्वांटम अवस्था, जिसे ग्रीनबर्गर-हॉर्न-ज़ेलिंगर (Greenberger–Horne–Zeilinger) अवस्था कहा जाता है, बनाने की क्षमता का परीक्षण किया। यह अवस्था एक उपयोगी बेंचमार्क है क्योंकि इसके लिए कई क्यूबिट्स का पूरी तरह से सिंक्रोनाइज़ होना आवश्यक है, जो प्रोसेसर के बीच संबंध की गुणवत्ता के लिए एक अच्छा परीक्षण है। अपने सिमुलेशन में, उन्होंने ऑप्टिकल लिंक में वास्तविक खामियों को पेश किया, विशेष रूप से उन उपकरणों से उत्पन्न होने वाला शोर जो क्वांटम कंप्यूटर के माइक्रोवेव संकेतों को फाइबर पर यात्रा करने के लिए प्रकाश संकेतों में परिवर्तित करते हैं। उन्होंने पाया कि प्रत्यक्ष क्वांटम लिंक का प्रदर्शन इस बात पर बहुत अधिक निर्भर करता है कि सिग्नल कितने साफ हैं। यदि शोर बहुत अधिक है, तो प्रत्यक्ष लिंक सटीक परिणाम देने में विफल रहता है। हालाँकि, उन्होंने एक महत्वपूर्ण मोड़ खोजा। जब कनेक्शन में शोर को वर्तमान प्रयोगात्मक स्तरों से दस गुना कम कर दिया जाता है, तो प्रत्यक्ष क्वांटम लिंक इन जटिल अवस्थाओं को बनाने के लिए सर्किट-कटिंग विधि के समान और अक्सर उससे बेहतर हो जाता है।
अध्ययन यह सुझाव देता है कि प्रत्यक्ष क्वांटम लिंक का मुख्य लाभ इसकी जटिलता को संभालने के तरीके में है। सर्किट-कटिंग विधि के साथ, हर बार जब एक गणना को मशीनों के बीच विभाजित किया जाता है, तो विश्वसनीय उत्तर प्राप्त करने के लिए प्रयोग को कितनी बार दोहराना होगा, यह संख्या नाटकीय रूप रूप से बढ़ जाती है। केवल कुछ कनेक्शनों वाली गणना के लिए, आवश्यक दोहराव की संख्या इतनी बड़ी हो जाती है कि प्रक्रिया अक्षम हो जाती है। इसके विपरीत, प्रत्यक्ष क्वांटम लिंक को आवश्यक दोहरावों में घातांकीय वृद्धि (exponential growth) का सामना नहीं करना पड़ता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि मल्टीपार्टाइट एंटेंगल्ड स्टेट्स (multipartite entangled states) उत्पन्न करने के लिए, जिसमें कई क्यूबिट्स मिलकर काम करते हैं, प्रत्यक्ष लिंक बेहतर है, बशर्ते हार्डवेयर शोर एक निश्चित सीमा से नीचे रखा जाए। उनके सिमुलेशन संकेत देते हैं कि यदि इंजीनियर वर्तमान तकनीक में सुधार करके सिग्नल कन्वर्टर्स में जोड़े गए शोर को 0.01 और 0.1 के स्तर के बीच कम कर सकें, तो प्रत्यक्ष क्वांटम लिंक क्लासिकल स्टिचिंग विधि से बेहतर प्रदर्शन करेगा।
यह निष्कर्ष वितरित क्वांटम कंप्यूटिंग (distributed quantum computing) के लिए एक हाइब्रिड भविष्य की ओर इशारा करता है। केवल एक पद्धति पर निर्भर रहने के बजाय, सबसे कुशल सिस्टम संभवतः दोनों के स्मार्ट संयोजन का उपयोग करेंगे। शोधकर्ता एक ऐसा एल्गोरिदम प्रस्तावित करते हैं जो प्रत्येक गणना के लिए सबसे अच्छे पथ को गतिशील रूप से चुन सकता है। यदि एक क्वांटम लिंक उपलब्ध है और पर्याप्त उच्च गुणवत्ता का है, तो सिस्टम ऑपरेशन करने के लिए प्रत्यक्ष कनेक्शन का उपयोग करेगा। यदि लिंक बहुत शोर वाला है या अनुपलब्ध है, तो सिस्टम सर्किट-कटिंग विधि का उपयोग करेगा, सटीकता सुनिश्चित करने के लिए दोहराव की संख्या को समायोजित करेगा। यह दृष्टिकोण नेटवर्क को वर्तमान हार्डवेयर की सीमाओं के अनुकूल होने के साथ-साथ अधिक शक्तिशाली, परस्पर जुड़े क्वांटम कंप्यूटरों का मार्ग प्रशस्त करने की अनुमति देता है। यह कार्य इस बात पर प्रकाश डालता है कि हालांकि उच्च-फिडेलिटी ऑप्टिकल लिंक के लिए तकनीक अभी तक पूर्ण नहीं है, लेकिन यह इतनी करीब है कि हार्डवेयर में महत्वपूर्ण सुधार जल्द ही प्रत्यक्ष क्वांटम नेटवर्किंग को एक व्यवहार्य और बेहतर विकल्प बना सकते हैं।
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