Twisted Superconducting Quantum Diodes for High Fidelity Anharmonic Qubits

क्वांटम कंप्यूटिंग की दुनिया में, लक्ष्य ऐसी मशीनें बनाना है जो आज के कंप्यूटरों की पहुंच से बहुत आगे की समस्याओं को हल कर सकें। ऐसा करने के लिए, वैज्ञानिक अत्यंत कम तापमान पर ठंडा किए जाने पर बिना किसी प्रतिरोध के बिजली का संचालन करने वाले विशेष धातुओं, यानी सुपरकंडक्टिंग सामग्रियों से बनी सूक्ष्म सर्किटों का उपयोग करते हैं। ये सर्किट मशीन के मस्तिष्क के रूप में कार्य करते हैं, जो 'क्यूबिट्स' नामक नाजुक अवस्थाओं में सूचना को संजोकर रखते हैं। हालांकि, ये क्यूबिट्स अविश्वसनीय रूप से नाजुक होते हैं। यदि वातावरण से कोई बाहरी संकेत वापस टकराता है या आसपास के इलेक्ट्रॉनिक्स से शोर (नॉइज़) अंदर आ जाता है, तो सूचना खो जाती है और कंप्यूटर विफल हो जाता है। इन संवेदनशील घटकों की रक्षा करने के लिए, इंजीनियरों को अक्सर संकेतों को पीछे की ओर जाने से रोकने की आवश्यकता होती है, ठीक वैसे ही जैसे एक वन-वे स्ट्रीट (एकतरफा रास्ता) यातायात को गलत दिशा में बहने से रोकती है। मानक इलेक्ट्रॉनिक्स में, यह डायोड के माध्यम से किया जाता है, लेकिन एक ऐसा डायोड बनाना जो नया शोर पैदा किए बिना सुपरकंडक्टिंग सर्किट के भीतर काम कर सके, एक निरंतर चुनौती रही है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने नियोबियम डिसेलेनाइड (niobium diselenide) नामक एक सुपरकंडक्टिंग सामग्री की पतली परत को मरोड़कर (twist करके) एक आश्चर्यजनक समाधान खोज निकाला है। एक पूर्ण एकतरफा वाल्व बनाने की कोशिश करने के बजाय, जो पीछे की ओर होने वाले सभी प्रवाह को रोक दे, उन्होंने पाया कि एक "काफी हद तक अच्छा" (good enough) वाल्व वास्तव में क्वांटम कंप्यूटरों के लिए बेहतर काम करता है। इस सामग्री की दो परतों को केवल एक डिग्री के कोण पर मरोड़ने से, उन्होंने एक ऐसा उपकरण बनाया जो एक दिशा में करंट को आसानी से बहने देता है जबकि दूसरी दिशा में इसे रोकता है। इस मामूली घुमाव ने सामग्री के व्यवहार को बदल दिया, जिससे एक डायोड प्रभाव पैदा हुआ जो क्वांटम सूचना की रक्षा करने के लिए पर्याप्त मजबूत है, लेकिन इतना भी प्रबल नहीं है कि वह मशीन के कार्य करने के लिए आवश्यक नाजुक ऊर्जा स्तरों को बाधित कर दे।

शोधकर्ताओं ने नियोबियम डिसेसेलेनाइड के एक ब्लॉक को पतली परतों में छीलकर शुरुआत की, जो एक नोटबुक से कागज के पन्नों को अलग करने की प्रक्रिया के समान है। फिर उन्होंने इन परतों में से दो को एक-दूसरे के ऊपर रखा और एक सटीक कोण पर एक परत को दूसरी के सापेक्ष घुमाया। यह सूक्ष्म घुमाव महत्वपूर्ण है क्योंकि यह उस इंटरफेस पर परमाणु संरचना को पुनर्गठित करता है जहाँ दोनों परतें मिलती हैं। जब उन्होंने इस मुड़ी हुई स्टैक का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि यह विद्युत धारा की दिशा और चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति के आधार पर अलग-अलग व्यवहार करता है। सामग्री के एक मानक, बिना मुड़े हुए टुकड़े में, करंट दोनों दिशाओं में समान रूप से बहता है। लेकिन उनके मुड़े हुए संस्करण में, सामग्री ने एक डायोड की तरह व्यवहार किया, जिससे सुपरकरंट एक दिशा में दूसरी दिशा की तुलना में अधिक आसानी से गुजर सका।

जब उन्होंने इस उपकरण द्वारा करंट को विपरीत दिशा में रोकने की दक्षता को मापा, तो उन्हें 27.6 प्रतिशत की दक्षता मिली। यह संख्या उस अंतर को दर्शाती है कि करंट पीछे की तुलना में आगे कितनी आसानी से बहता है। हालांकि यह अन्य प्रकार के डायोड की तुलना में वैज्ञानिकों द्वारा पीछा किए जाने वाले पूर्ण 100 प्रतिशत दक्षता से कम लग सकता है, शोधकर्ताओं ने पाया कि यह विशिष्ट, मध्यम स्तर वास्तव में क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए सबसे उपयुक्त (sweet spot) था। विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से, उन्होंने मॉडल किया कि यह मुड़ी हुई सामग्री एक क्वांटम सर्किट में मुख्य घटक के रूप में उपयोग किए जाने पर कैसा व्यवहार करेगी। उन्होंने पाया कि यदि डायोड बहुत अधिक कुशल होता, जो 100 प्रतिशत के करीब पहुँच जाता, तो वह क्यूबिट के ऊर्जा स्तरों को विकृत कर देता, जिससे उसे नियंत्रित करना कठिन हो जाता। हालांकि, 27.6 प्रतिशत के स्तर पर, जो उन्होंने प्राप्त किया था, डिवाइस ने क्यूबйт को स्थिर रखने के लिए पीछे के संकेतों के विरुद्ध पर्याप्त सुरक्षा प्रदान की, बिना उन विशिष्ट ऊर्जा अंतराल को बिगाड़े जिनकी कंप्यूटर को संचालित करने के लिए आवश्यकता होती है।

अध्ययन में सामग्री की मोटाई और चुंबकीय क्षेत्रों की दिशा द्वारा परिणामों पर पड़ने वाले प्रभाव का भी अन्वेषण किया गया। उन्होंने विभिन्न मोटाई के नमूनों का परीक्षण किया और पाया कि प्रभाव पतली परतों में सबसे अधिक था। उन्होंने करंट के समानांतर और लंबवत, दोनों दिशाओं में चुंबकीय क्षेत्र भी लगाए, और देखा कि डायोड प्रभाव इन परिवर्तनों के प्रति दृढ़ता से प्रतिक्रिया करता है। इससे पुष्टि हुई कि यह व्यवहार उनके सेटअप की कोई दुर्घटना नहीं थी, बल्कि मुड़ी हुई सामग्री का एक मौलिक गुण था। शोधकर्ता इस संभावना को खारिज करने में भी सावधानी बरत रहे थे कि उनके परिणाम चुंबकीय क्षेत्र के मामूली मिसअलाइनमेंट या उनके उपकरणों में बचे हुए चुंबकीय अवशेषों के कारण थे। उनके डेटा ने दिखाया कि प्रभाव वास्तविक और पुनरुत्पादनीय था, जो कि मुड़ी हुई परतों के बीच परस्पर क्रिया के अनूठे तरीके से प्रेरित था।

यह कार्य क्वांटम कंप्यूटरों को डिजाइन करने के बारे में सोचने के एक नए तरीके का सुझाव देता है। लंबे समय से, यह धारणा रही है कि कोई घटक वांछित संकेतों को जितना बेहतर तरीके से रोकता है, वह सिस्टम के लिए उतना ही बेहतर होता है। यह पेपर इस विचार को चुनौती देता है, यह दिखाते हुए कि क्वांटम दुनिया में, एक पूर्ण अवरोध कभी-कभी "अच्छाई की अधिकता" (too much of a good thing) हो सकता है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि एक मध्यम स्तर के रेक्टिफिकेशन (rectification) को स्वीकार करके, वे क्यूबिट की एनहारमोनिसिटी (anharmonicity) को बनाए रख सकते थे, जो कि ऊर्जा स्तरों के विशिष्ट अंतराल के लिए एक तकनीकी शब्द है जो कंप्यूटर को विभिन्न अवस्थाओं के बीच अंतर करने की अनुमति देता है। इन ऊर्जा स्तरों को विशिष्ट बनाए रखकर, कंप्यूटर गणना कर सकता है बिना गलती से गलत अवस्था में कूदे।

इस खोज के निहितार्थ केवल एक प्रकार की सामग्री तक ही सीमित नहीं हैं। शोधकर्ता प्रस्ताव देते हैं कि इस दृष्टिकोण का उपयोग अधिक विश्वसनीय और ऊर्जा-कुशल क्वांटम सर्किट बनाने के लिए किया जा सकता है। इन मुड़े हुए डायोडों को सीधे सर्किट में एकीकृत करके, वे शोर को वापस उछलने और क्यूबिट्स को बाधित करने से रोक सकते हैं, और साथ ही उन सटीक स्थितियों को भी बनाए रख सकते हैं जो कंप्यूटर के सोचने के लिए आवश्यक हैं। टीम ने यह भी उल्लेख किया कि इस पद्धति को अन्य उन्नत तकनीकों के साथ जोड़ा जा सकता है, जैसे कि चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करके डिवाइस को फाइन-ट्यून करना या बेहतर सामग्री संयोजनों की खोज के लिए आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस का उपयोग करना। हालांकि एक पूरी तरह से कार्यात्मक क्वांटम कंप्यूटर का मार्ग अभी लंबा है, यह खोज एक स्पष्ट, व्यावहारिक कदम प्रदान करती है। यह दिखाता है कि कभी-कभी, जटिल समस्या को हल करने का सबसे अच्छा तरीका पूर्णता के लिए प्रयास करना नहीं, बल्कि उस सटीक संतुलन को खोजना है जो प्रकृति प्रदान करती है।